微波仿表面等离激元超表面在生物样本制备中的应用研究

《Materials Horizons》：Applying spoof-plasmonic metasurfaces to microwave sample preparation of biological samples

本研究针对生物样本前处理中核酸与蛋白质提取、消化及纯化等步骤效率瓶颈，由研究人员开发了集成仿表面等离激元超表面的微孔板。通过射频/微波辐射激发超表面定向调控电场分布与介电加热，实现了96孔板内样本的高通量非接触式处理。实验证实该系统可有效应用于PCR扩增等生物检测场景，为微波生物加工技术提供了新范式。

　　

在现代生物医学实验室中，核酸（DNA）和蛋白质的提取、消化及纯化是样本前处理的关键步骤，广泛用于DNA测序、细胞活性检测和酶活性分析等实验。为提升检测通量，微孔板（microplate）常被用于平行处理大量样本。本研究创新性地将金属散射元件阵列集成于标准96孔微孔板，构建了一种工作于射频/微波频段的仿表面等离激元超表面（spoof-plasmonic metasurface）。该结构通过周期性亚波长金属单元调控电磁场分布，其原理类似于可见光/红外频段的表面等离激元（plasmonic）效应。

当整个微孔板受到射频/微波辐射时，超表面能够将电场强度与介热效应（dielectric heating）精准聚焦于目标区域，实现无需样本转移的高通量处理。研究团队采用时域有限差分法（FDTD）进行超表面建模，并通过金属薄膜加工技术制备实体器件。利用红外热成像（FLIR）、荧光传感及微生物灭活实验对系统性能进行表征，最终以聚合酶链式反应（PCR）为模型验证其实际应用价值。

研究系统报道了不同条件下超表面的物理特性及其在生物医学检测中的潜力，首次实现微波超表面在生物加工领域的应用，并通过模拟（in silico）与实验数据的对比，为相关技术开发提供重要参考。