基于硅纳米线的、具有角度鲁棒性的超灵敏双曲超材料生物传感器

《Nanoscale Advances》：Silicon nanowire based angle robust ultrasensitive hyperbolic metamaterial biosensor

基于n型硅纳米线设计的超表面光子晶体生物传感器在近红外波段实现角度鲁棒和超灵敏检测，通过优化填充因子（70%）和几何参数（纳米线高度80 nm，基底高度200 nm），有效增强电场局域化与阻抗匹配，检测到单个登革热NS1蛋白14 nm的波长偏移，质量灵敏度为0.192 nm kDa?1，检测限低至0.691 pM，为病毒和细菌的纳米级检测提供新方案。

　　本文介绍了一种基于n型掺杂硅纳米线（n-Si NW）的超材料生物传感器结构，该结构具备角度鲁棒性（angle-robust）和优异的灵敏度，适用于纳米尺度的病毒和细菌检测。通过有效介质理论（EMT）、有限差分时域（FDTD）方法和传输矩阵法（TMM）对结构的电磁特性进行了深入分析，并结合理论模型与实验验证，探索了该传感器在检测登革热病毒NS1蛋白方面的应用潜力。研究结果表明，该结构在近红外波段（λ > 2.2 μm）表现出理想的反射率变化，具有极端各向异性（extreme anisotropy）和高灵敏度的特性。

研究背景中提到，传统的等离子体传感器在检测纳米尺度分子时面临一些挑战，例如角度敏感性和高光学损耗。尽管金属纳米结构如金（Au）和银（Ag）能够实现高灵敏度，但由于其较高的损耗，导致传感器性能受限。因此，研究人员开始关注使用其他类型的等离子体材料，如半导体材料硅（Si），以解决这些问题。n型掺杂硅因其具有负的实部介电常数，能够实现与金属等离子体相似的电场约束效果，同时避免了高损耗问题。此外，硅纳米线的几何结构能够有效增强传感器的各向异性，从而提升其对分子浓度变化的响应能力。

该研究提出的传感器结构在设计上利用了硅纳米线的极端各向异性特性，使其在不同入射角下仍能保持稳定的反射率变化，这为实现高精度、无标记（label-free）的生物分子检测提供了重要的技术支持。研究者通过数值模拟和理论计算相结合的方法，分析了传感器在不同参数下的性能表现，包括纳米线的尺寸、周期性、填充因子（fill factor, FF）以及基底的结构特性。通过调整这些参数，研究团队成功优化了传感器的灵敏度和检测限（LOD），使其能够在更宽的波长范围内保持高响应性。

在传感器性能分析方面，研究者使用FDTD方法模拟了纳米线结构在不同入射角度下的反射率变化，并结合TMM方法对结构的各向异性特性进行了验证。结果显示，该结构对入射角具有高度鲁棒性，能够在多种条件下保持稳定的共振波长变化。这种特性使得传感器在实际应用中更加可靠，能够减少因入射角变化带来的测量误差。此外，研究还探讨了传感器在不同极化状态下的响应特性，发现其对TE波的入射角不敏感，而对TM波则表现出一定的角度依赖性，但总体上仍优于传统结构。

在生物分子检测方面，研究团队针对登革热病毒的NS1蛋白进行了实验验证。NS1蛋白是登革热病毒的重要组成部分，其浓度与病毒复制水平密切相关。通过在传感器表面引入特异性功能化分子，如硫醇修饰的单链DNA（ssDNA）适配体，研究人员成功实现了对NS1蛋白的高灵敏度检测。实验数据显示，该传感器能够检测单个NS1蛋白分子，其共振波长变化达到14 nm，且质量灵敏度高达0.192 nm kDa?1。这表明该结构在检测极低浓度的生物分子方面具有显著优势，适用于高精度的生物传感应用。

此外，研究还分析了NS1蛋白在传感器表面的扩散行为。通过建立扩散模型，研究者计算了不同浓度下NS1分子在传感器表面的结合时间和检测灵敏度。结果显示，当NS1分子浓度处于纳摩尔（nM）和皮摩尔（pM）水平时，结合时间较短，检测灵敏度较高，而当浓度降至飞摩尔（fM）时，检测时间显著延长，这限制了传感器的检测极限。因此，研究团队通过优化传感器的几何参数和表面功能化设计，实现了在特定时间窗口内的高效检测，进一步提升了传感器的检测性能。

研究还与之前报道的多种生物传感器进行了对比分析。结果显示，该基于n-Si NW的超材料传感器在灵敏度和检测限方面均优于传统结构。例如，与使用金纳米颗粒或一维光子晶体的传感器相比，该结构不仅实现了更高的灵敏度（14 nm/NS1分子），还具有更低的检测限（0.691 pM）。这表明该传感器在检测纳米尺度生物分子方面具有独特的性能优势，有望成为未来高精度、无标记生物检测技术的重要工具。

研究团队在结论中指出，该基于n-Si NW的超材料传感器结构具有高度的可调性和优异的生物分子检测能力，能够有效应对纳米尺度下检测精度和灵敏度的挑战。通过结合有效介质理论、FDTD和TMM方法，研究者不仅验证了结构的超材料特性，还深入分析了其在不同物理条件下的响应机制。这些成果为未来开发基于硅材料的高性能生物传感器提供了理论依据和技术支持。

此外，研究团队在实验设计中还考虑了传感器的制造工艺。他们提出了一种利用电子束光刻（EBL）和电镀技术的制造方案，以实现n-Si NW结构的精确构建。这种方法不仅降低了制造难度，还提高了传感器的可重复性和稳定性。同时，研究团队强调了该传感器在实际应用中的重要性，尤其是在医疗和环境监测领域，能够实现对病毒和细菌的高灵敏度、实时检测。

总体来看，该研究通过设计一种基于n-Si NW的超材料生物传感器结构，解决了传统等离子体传感器在纳米尺度检测中的局限性。该结构具备角度鲁棒性、高灵敏度和良好的电场约束能力，能够实现对极低浓度生物分子的精准检测。此外，研究团队还通过实验和模拟相结合的方式，验证了传感器的性能，并与现有技术进行了比较，突出了其在生物检测领域的创新性和实用性。这些成果为未来纳米尺度生物传感技术的发展提供了新的思路和方法。