SPP-MIM杂化超薄膜实现光纤端面高灵敏度与高稳定性生物传感

本研究针对纳米结构固液界面导致的生物传感稳定性差这一难题，创新性地提出SPP-MIM杂化超薄膜技术。上海交通大学团队通过将金属-绝缘体-金属(MIM)波导与表面等离子体激元(SPP)杂化，在光纤端面构建了兼具平坦界面与高表面灵敏度的光子晶体微腔，实现了30 fM级生物素化蛋白的稳定检测，其动力学过程符合Langmuir模型。该研究为光纤尖端等离子体生物传感技术提供了突破性解决方案，对推动分子互作分析和药物发现具有重要意义。

　　

在生命科学和医疗诊断领域，实时监测生物分子相互作用的需求日益增长。传统表面等离子体共振(SPR)技术虽被各国药典收录，但其庞大的自由空间光机械系统和精密流体控制系统限制了广泛应用。与此同时，纳米光子传感器件虽具备微型化潜力，却长期受困于纳米结构界面导致的稳定性差、重现性低等难题——这些器件常表现出异常的基线漂移(>10 RU·min^-1)和违反Langmuir定律的敏感行为。更棘手的是，纳米结构界面可能捕获气体纳米气泡，这些直径仅数十纳米的稳定气泡会显著干扰分子结合过程，成为制约技术转化的关键瓶颈。

上海交通大学的研究团队独辟蹊径，提出将表面等离子体激元(SPP)与金属-绝缘体-金属(MIM)波导杂化的创新思路。这项发表在《Cell Biomaterials》的研究，通过精密设计SPP-MIM杂化超薄膜，成功在单模光纤端面构建了兼具平坦传感界面与高表面灵敏度的光子晶体微腔。这种超薄膜巧妙地"封印"了纳米结构，同时保留了局域表面等离子体共振(LSPR)的浅表波特性，其表面灵敏度达2.5 nm/(nm·RIU)，比传统光栅耦合SPR提高67%。

研究团队采用三项核心技术：1）通过有限时域差分法(FDTD)优化设计IMIM(绝缘体-金属-绝缘体-金属)结构，实现SPP与MIM对称波导模的相位匹配；2）采用电子束光刻与原子层沉积(ALD)技术，在石英基底上制备含等离子体晶体微腔的MIM多层结构；3）开发紫外固化转移技术，将微腔精准固定于光纤端面。实验系统采用超辐射发光二极管(SLD)光源和CCD光谱仪，结合15Hz垂直振荡的温控离心管阵列，确保微小样本的均匀检测。

研究结果揭示多个重要发现："SPP-MIM杂化"部分通过能带计算证实，当SiO₂间隙层厚度为199nm时，H+杂化模式使表面等离子体衰减深度缩短至193nm，较传统SPR的426nm显著提升；"光纤端面MIM微腔设计"显示，嵌入光子晶体微腔的器件在折射率1.33时，体灵敏度为407nm/RIU，表面灵敏度达2.5nm/(nm·RIU)，且Q值保持77；"生物传感实验"数据显示，该器件基线漂移<0.5pm/min，可稳定检测30fM生物素化BSA，九个重复实验的误差棒验证了卓越的重现性。

讨论部分指出，这项研究突破了光纤端面等离子体传感的两大技术壁垒：通过SPP-MIM杂化实现了平面界面与高灵敏度的兼容，利用光子晶体微腔解决了光纤与SPP的模场匹配难题。特别值得注意的是，该设计使电磁能量集中分布于水-金界面和间隙层底部，既避免了纳米气泡干扰，又增强了表面敏感性。研究者预见，这种光纤端面传感技术与成熟的通信复用技术结合，将为人工智能驱动的药物发现产业提供不可或缺的高通量分析工具。该工作还引发深层思考：纳米结构界面是否正是诸多超灵敏非Langmuir过程的诱因？这些过程能否被主动调控？这些问题的探索或将开辟生物传感的新范式。