01
研究背景
微纳光学器件能够在亚波长尺度上实现强大的光场调控能力，增强光与物质的相互作用，因此，在传染性病原体（例如病毒）检测领域具有广阔的前景。其中，基于金属的等离子体共振传感器，例如局域表面等离激元共振、表面增强拉曼散射等模式的传感器已被广泛报道应用于生物传感。然而，由于金属材料在光学范围的内源性高损耗，等离激元传感器的Q-值受到了较大限制，往往在数十、数百数量级，导致了较低的传感品质因数（FoM）。因此，基于介质的微纳谐振器备受关注。得益于较低的材料损耗，这类器件的Q-值远超等离激元传感器，甚至可以达106数量级。然而，由高光场束缚带来的高Q-值，往往会造成光场与待测物的空间失配，导致灵敏度降低。这一权衡效应已成为微纳光学生物传感器亟待解决的问题。
02
研究创新点
为此， 西湖大学Mohamad Sawan教授团队与文燎勇团队合作，通过在F-P谐振腔内置超表面实现腔内材料-环境界面的局域化光场；并采用定制化的微流道设计，将待测物直接作为腔介质，提出了一种全介质Metacavity的传感器架构。实验中，Metacavity传感器在～900nm的工作波长下，保障了介质谐振腔系统高Q-值（4140）的同时，实现了媲美等离激元传感器的折射率灵敏度（450 nm/RIU），从而获得超高的FoM值（1670 RIU -1）。该 综合属性远超目前所报道的微纳光学传感器。同时，作者建立了表面传感模型，并验证了Metacavity在新冠假病毒无标记检测中的优越性能（检测限：119 viral copies/mL）。相关成果以“High Quality–Factor All–Dielectric Metacavity for Label–Free Biosensing”为题在Advanced Science上发表。
03
研究内容
所述Metacavity由分布式布拉格反射器（DBR）微腔、和嵌于下层DBR内表面的四方SiN超表面构成。通过在腔内表面修饰硅结合蛋白和特异性单克隆抗体实现全病毒的无标记检测（图1（a））。Metacavity包含多个谐振模式（图1（b）），其中第二模式在紧邻超结构表面的溶液环境中实现了强局域光场（图1（c）），能够最大化传感表面光与物质相互作用强度。这一效益源于SiN的高材料Q-值，以及横向的超表面模式与垂直方向腔模式的有效耦合。同时，第二模式谐振波长与病毒溶液的吸收波段相匹配，并具有较高的模式重叠因子及仿真灵敏度，因此在后续实验中被用于表征Metacavity器件的传感性能。
图1 Metacavity传感器设计和理论验证。(a) Metacavity及腔内全病毒检测示意图。(b) DBR，Metacavity和变化折射率时Metacavity的仿真透射光谱。（c）Metacavity第二模式的电场分布
低成本制备工艺对于传感器件至关重要。该工作采用纳米压印超薄阳极氧化铝模板技术制备SiN超表面，并通过衬底间Cu-Cu键合技术实现了大面积稳定的Metacavity加工（图2（a）-（b））。通过定制化的PDMS微流道将溶液注入腔内（图2（c））。当采用PBS缓冲液作为腔介质时，Metacavity的实验透射光谱与仿真结果吻合良好（图2（d）），并实现了卓越的Q-值（平均值：3706，最大值：4140）；同时，在与无超表面修饰的纯DBR谐振腔的对比实验中，Metacavity表现出更高的实验Q-值（图2（e）），证明了所述腔内超表面的耦合模式可以降低加工缺陷带来的横向光泄漏和损耗。
图2 Metacavity加工和表征。（a）Metacavity芯片图片。（b）Metacavity的截面和表面SEM图。（c）定制化的微流道系统，和PBS缓冲液浸润空腔的过程。（d）Metacavity传感器仿真和实验透射光谱。（e）Metacavity和纯DBR谐振腔的实验Q-值对比
在传感实验中，Metacavity在折射率传感和表面传感中均取得了卓越的性能。该工作首先在腔内注入不同体积分数的乙醇水溶液来调节腔内折射率，并对比仿真验证了Metacavity的实验折射率传感性能（图3（a））；同时通过在腔内表面生长不同厚度的介质层，证明了Metacavity相比纯DBR谐振腔具有更好的表面传感性能（图3（b））。实验结果表明，Metacavity实现了优异的折射率灵敏度（～450 nm/RIU）和Q-值，因而获得了超高的实验FoM（～1670 RIU-1）。该综合性能远超目前报道的微纳光学传感器（图（c）-（d）），表明Metacavity可以作为平衡微纳光学传感器高Q-值和高灵敏度的一种有效的解决方案。在生物实验中， Metacavity展示出优秀的新冠假病毒颗粒检测性能，其在病毒浓度增加时的信号水平显著高于纯DBR谐振腔（图3（e））。同时，其检测限水平（119 copies/mL）也能够比拟商用试剂盒，证明了Metacavity作为临床直接病毒检测传感器的强大潜力。
图3 Metacavity的传感性能。（a）Metacavity折射率传感实验和仿真结果。（b）Metacavity和纯DBR谐振腔的表面传感实验和仿真结果。Metacavity的（c）折射率灵敏度和（d）FoM与近期微纳光学传感器的对比。（e）Metacavity和纯DBR谐振腔的全病毒检测实验结果
04
总结
综上，这一研究创新性的以待测物直接作为为腔材料，提出了Metacavity传感器架构模式，并通过实验和仿真证明了其优异的光学和传感性能。Metacavity在保证了介质传感器高Q-值的同时，实现了较高的灵敏度，从而得到了远超目前所报道的微纳光学传感器的FoM水平；其在无标记全病毒检测中也取得了极具潜力的性能。因此，Metacavity可以作为解决传统微纳光学传感器Q-值与灵敏度权衡效益的有效方案。
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