近日，上海交通大學集成電路學院（信息與電子工程學院）臧法珩團隊聯(lián)合南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院徐毅團隊針對大豆癥青病毒（SoSGV）檢測開發(fā)了高靈敏度多孔納米光學天線陣列生物傳感芯片，相關成果以“Tunable Gold-on-SiO2 Nanopillar Arrays with Functionalized Nanoporous Layer for Enhanced Fluorescence Immunoassays”（用于增強熒光免疫分析的功能納米多孔層集成可調復合納米柱陣列）為題發(fā)表在《Advanced Optical Materials》上。

研究背景

高靈敏度生物分子檢測技術不但在應對突發(fā)公共衛(wèi)生事件中凸顯其重要性，近年來在監(jiān)控影響經(jīng)濟作物產(chǎn)量的植物病毒感染中，也正在發(fā)揮重要的作用。為了進一步提高生物分子檢測的靈敏度，如何最大化利用納米光學結構的等離子共振效應，使得低濃度、低樣本量目標分子在生物免疫實驗中達到更高的檢測信號強度是技術創(chuàng)新的關鍵。本項研究通過三維納米級制造方法，批量化制造具有宏觀陣列結構與納米級金屬孔徑的納米多孔金柱光學天線結構，突破了傳統(tǒng)納米孔尺寸與共振波長獨立調節(jié)難題。該技術成功地應用于生物抗體與大豆癥青病毒SoSGV兩種不同目標分子的高靈敏度生物檢測，并將片上熒光信號相比普通金襯底實驗提升超過500倍，驗證了其成為新一代低成本高靈敏度生物檢測芯片平臺性技術的可行性。

亮點內(nèi)容

該研究提出了一種基于納米多孔金柱（NPGP）的生物傳感平臺，其實現(xiàn)得益于一種“陣列上造孔隙”的混合納米制備工藝。NPGP通過調控納米柱支撐的金過渡內(nèi)核形態(tài)來設定主共振峰以實現(xiàn)光譜可調諧功能，同時利用納米多孔金外殼拓寬共振光譜的覆蓋范圍。作為芯片級熒光傳感平臺的優(yōu)異性能已在檢測大豆中SoSGV病毒得到驗證。

NPGP的脫合金工藝流程、光學仿真及光譜測試

NPGP陣列具有兩種光學共振模式，即電四極子模式（EQ）和電偶極子（ED）模式。通過調節(jié)其內(nèi)部金過渡層的厚度，能夠使電四極子對應的共振峰在750nm至850nm區(qū)間內(nèi)靈活移動。此外，外部多孔功能層因富含密集分布的納米孔結構，不僅顯著提升了整體的光吸收效率，還呈現(xiàn)出寬譜帶吸收特性?；谶@些光學特性規(guī)律，我們可通過精準調控內(nèi)部金層的厚度來適配生物分子熒光檢測所需的工作波長；同時優(yōu)化合金層的厚度參數(shù)，從而實現(xiàn)高達95%以上的消光率表現(xiàn)。

基于NPGP生物傳感平臺的抗體直接結合及SoSGV熒光測定結果

大豆癥青病毒SoSGV的檢測采用基于熒光的免疫分析法，其中NPGP陣列作為熒光增強平臺。病毒樣本通過對感染SoSGV的大豆葉片進行勻漿和離心處理后，取其上清液制備而成。相較于傳統(tǒng)平面金基底材料，NPGP陣列在大豆SoSGV病毒熒光免疫檢測中表現(xiàn)出色，可將熒光信號強度提升逾500倍。即使在低濃度下，超高表面積也有助于捕獲目標生物分子。由分布式納米孔洞與有序納米陣列共同引發(fā)的等離子體共振協(xié)同效應，進一步優(yōu)化了整體熒光響應特性。得益于制備工藝的經(jīng)濟性和寬頻帶光學共振優(yōu)勢，NPGP展現(xiàn)出作為高性能通用平臺的潛力，適用于各類熒光化學及生物分子檢測場景。

研究團隊

王夢誠（左）、臧法珩（右）

上海交通大學集成電路學院博士生王夢誠為論文第一作者，集成電路學院臧法珩副教授為論文通訊作者，南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院徐毅教授為論文的合作作者，南京農(nóng)業(yè)大學植物保護學院梅若鑫（在讀博士）等參與了該項工作。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金、江蘇省杰出青年基金、上海交大深藍計劃基金等項目資助。臧法珩副教授為集成電路學院MEMS多元兼容集成制造技術團隊核心成員。課題組長期從事MEMS集成微系統(tǒng)、納米光學器件、微納生化傳感器的設計、制造與應用研究，并在近年內(nèi)形成了關鍵尺寸涵蓋亞十納米至百微米級的功能器件微納跨尺度集成制造能力。課題組網(wǎng)頁：https://gpmems.sjtu.edu.cn/論文鏈接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202501591 作者： 集成電路學院（信息與電子工程學院） 供稿單位： 集成電路學院（信息與電子工程學院）