利用范德瓦尔斯材料的纳米光子生物传感器

      光子生物传感器是生命科学和医学诊断不可缺少的工具。例如，商业表面等离子体共振(SPR)仪器被广泛用于通过表面等离子体激元(SPP)在金膜中的倏逝波来测量受体配体相互作用的结合动力学和亲和力。这种实时、无标记的传感能力对于抗体、药物、适配体、靶标-药物相互作用以及病毒-宿主细胞受体相互作用的功能和定量表征至关重要。表面等离子体共振产生了宝贵的时间分辨动力学数据，这些数据不能通过使用目标标记的传统终点结合分析，如酶联免疫吸附分析(ELISA)或放射免疫分析来获得。最先进的表面等离子体共振仪器可以达到与ELISA相当的检测极限(LOD)，它们正越来越多地应用于患者生物素的临床分析，以检测与各种疾病相关的蛋白、微RNA、药物和小分子。SPR的折射率(RI)传感转导机制消除了标记和清洗步骤的需要，提供实时动力学信息，速度快，有利于临床应用。

       为了使SPR传感器小型化并进一步提高性能，研究人员利用自上而下的光刻和自下而上的合成，通过设计传统SPR的扁金薄膜，形成纳米颗粒、纳米孔或称为各种形状的“超表面”的“纳米波离子体”传感器。这种纳米结构和超表面可以将共振扩展到更广泛的频率范围（即从可见红外到近红外或中红外），并表现出光学现象，如局部表面等离子体共振(LSPR)、辐射耦合和特殊的光传输等。虽然纳米等离子体结构增加了制造的复杂性和成本，但它们可以提高多路复用容量、小型化和灵敏度，同时也提供了相当大的设计灵活性。早期的演示旨在通过减少感知区域的足迹来提高传统SPR的性能，以为护理点(POC)应用程序提供可移植性和/或提高高吞吐量筛选的并行检测。

       低维范德华尔斯(vdW)材料可以利用紧密约束的极化子波，为纳米光子生物传感提供独特的优势。与依赖于金属薄膜中表面等离子体共振的传统纳米光子器件相比，vdW材料的降维性，如二维石墨烯，可以大大提高等离子体场约束，提高灵敏度和效率。此外，vdW材料中介质屏蔽的减少使不同极振子模式的静电可调谐，包括等离子体激元、激子和声子。一维vdW材料，特别是单壁碳纳米管，具有独特的具有限制激子的形式因子，以使单分子检测和体内生物传感。近日，来自美国明尼苏达大学的Sang-Hyun Oh等人综述了基于vdW材料的基本传感原理，其次是技术挑战，如表面化学、集成和毒性等。最后，该综述强调了利用vdW材料来演示新的传统金属/介电传感器的传感功能方面的进展。相关工作发表在《Nature Communications》上。（郑江坡）

       文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-021-23564-4