近年來，基于表面等離激元共振（SPR）的分子互作分析技術因其卓越的檢測性能，于2016至2020年間被美國、日本、歐洲和中國相繼列入藥典，并在近年迎來了應用需求的激增。為解決其設備龐大、操作復雜及通量難以提升的痛點，近二十年來，各種納米等離激元生物傳感器得到了廣泛的研究。其中，將傳感器集成在光纖末端成為極具潛力的研究方向。該類傳感器不僅能夠受益于光纖架構從而實現設備小型化，還能利用光纖通信的復用能力實現高通量傳感，同時摒棄復雜的微流控系統，實現對小體積樣本的便捷檢測操作。

基于光子晶體微腔的設計，楊天團隊于2016至2022年間，將單模光纖端SPR傳感器的信噪比提升了3個數量級，檢測限達到10-7RIU量級。但是，在生物分子傳感實驗中，團隊發現其穩定性和重復性不佳，無法達到商業（非納米）SPR設備的水平，且不能通過工藝流程標準化和質量控制來解決。通過文獻調研，他們發現具有納米結構表面的傳感器在分子互作實驗中普遍表現出差的穩定性；與之相關的，經常可以看到對納米結構生物傳感器超高靈敏度的報道，而其中大部分都違反Langmuir定律，且分子結合速率比正常情況高出幾個數量級。這種奇怪的非線性超高靈敏度現象的根源，一直以來是未解之謎。

圖1 傳感器設計： (A) 光纖端面的SPP-MIM雜化超構薄膜和光子晶體微腔示意圖；（B）SPP表面波和MIM波導的雜化，顏色表示雜化光學模式的電場實部；（C）SPP-MIM超構薄膜光子晶體微腔（MIM cavity）的諧振波長隨表面折射率的變化，以及與傳統的光柵耦合SPR的比較

楊天團隊提出，分子互作過程受到納米結構表界面過程的影響，例如表面納米氣泡的存在，導致了上述的不穩定性與奇怪的互作表現。這為納米生物傳感器領域闡明了一項長期以來被嚴重忽視的挑戰。為攻克這一難題，該團隊設計了一種將光子晶體微腔的光場耦合到平面表面SPP倏逝波的超構薄膜（圖1a,b）。這種超構薄膜具有遠小于傳統SPP表面波的倏逝深度，以及由此帶來的更高的表面靈敏度；同時，其表面靈敏度還隨著表面吸附物質的增多而降低，從而體現出局域表面等離激元共振（LSPR）的性質（圖1c）。因此，這種超構薄膜堪稱是平面SPR與納米LSPR結合的“結晶”，它兼具了兩者的優點：既擁有平面SPR平滑且穩定的物理傳感界面，又具備納米LSPR的高表面靈敏度以及對環境干擾的低敏感性。這種新材料的出現，為提升納米生物傳感器的性能提供了一種全新的解決方案。

圖2 分子互作傳感設備與實驗結果：（A）設備照片；（B）三個傳感器，每個重復三次實驗，體現了高穩定性和可重復性

在此基礎上，楊天團隊在這種超構薄膜中嵌入光子晶體微腔，并將之集成在單模光纖的端面，形成一種新的光纖末端生物傳感器。配合自研的光纖傳感設備（圖2a），該團隊實現了高靈敏、高穩定、可重復且符合Langmuir定律的生物分子相互作用實驗。文章報道的實驗結果包括低至30 fM的生物素化分子的檢測及多傳感器多次重復實驗的對比（圖2b）。該傳感器在長達17個月的時間跨度內，依然保持了穩定的性能表現，充分證明了其在長期使用中的可靠性和耐久性。

來源：上海交大自動化與感知學院