SPP-MIM杂化超薄膜：光纤端面高灵敏度与高稳定性生物传感的新突破

针对纳米光子生物传感器性能不稳定的难题，上海交通大学团队创新性地提出表面等离子体激元（SPP）与金属-绝缘体-金属（MIM）波导杂化策略，构建了兼具SPR平坦界面特性与LSPR高灵敏度的超薄膜结构。该器件在单模光纤端面实现了30 fM生物素化蛋白检测，动力学符合Langmuir模型，为光纤尖端等离子体生物传感提供了兼具高灵敏度与稳定性的解决方案，对生物分子相互作用分析和药物发现具有重要意义。

　　

研究背景与意义
纳米光子生物传感器虽具有超高灵敏度，但长期面临性能不稳定的瓶颈问题。文献研究表明，这种不稳定性与纳米结构物理传感界面密切相关，可能源于表面气体纳米气泡等界面伪影。传统棱镜耦合表面等离子体共振（SPR）技术虽稳定性优异，但依赖笨重的自由空间光机械系统；而光纤端面集成的纳米结构器件又易受界面复杂过程干扰。如何实现兼具光纤传感的微型化优势与SPR的稳定高灵敏度，成为领域内亟待突破的难题。

上海交通大学的研究团队独辟蹊径，提出通过表面等离子体激元（SPP）与金属-绝缘体-金属（MIM）波导的杂化，构建新型超薄膜结构。这种设计巧妙融合了传统SPR的平坦界面优势与局域表面等离子体共振（LSPR）的高表面灵敏度特性，为光纤端面生物传感提供了全新解决方案。相关成果发表在《Cell Biomaterials》上，标志着光纤尖端等离子体生物传感技术迈入新阶段。

关键技术方法
研究采用有限时域差分法（FDTD）模拟优化了SPP-MIM杂化超薄膜的能带结构；通过电子束光刻与离子束刻蚀制备穿透式纳米狭缝阵列；采用原子层沉积（ALD）技术实现SiO₂间隙层的精确填充；开发紫外固化转移技术将MIM微腔精准装配至单模光纤端面。生物实验采用标准生物分子相互作用分析（BIA）流程，包括硫醇-聚乙二醇（HS-PEG）自组装单层修饰、胺偶联固定化蛋白A等关键技术。

研究结果

SPP与MIM的杂化机制
通过理论计算揭示了MIM波导对称模式（S）与水面金膜SPP的杂化规律。当MIM波导有效折射率n_WG与SPP有效折射率n_SPP满足相位匹配条件时，形成H+杂化模式。该模式电磁能量集中分布于金膜界面与SiO₂间隙层底部，其1/e倏逝场深度仅193 nm，较传统光栅耦合SPR（426 nm）显著缩短，赋予器件更强的抗体相干扰能力和更高表面灵敏度。

光纤端面MIM微腔设计
在SPP-MIM超薄膜中嵌入等离子体晶体微腔，通过中心7个纳米狭缝（宽81 nm，周期622 nm）实现单模光纤与H+模式的高效耦合。模拟显示该结构体折射率灵敏度达407 nm/RIU，表面灵敏度达2.5 nm/nm RIU，且呈现类似LSPR的非线性饱和效应。创新性采用SiO₂填充纳米狭缝替代传统粘附金属层，将器件Q值提升至77。

生物传感性能验证
实验测得NaCl溶液的体折射率灵敏度为401 nm/RIU，与理论预测高度吻合。在生物素化牛血清白蛋白（bio-BSA）检测中，器件展现出0.5 pm/min的超低基线漂移，30 fM的检测极限，结合速率常数k_a达9×10⁸ M^-1s^-1。人免疫球蛋白G（hIgG）/抗hIgG相互作用实验显示，三个器件各三次重复实验的响应曲线高度一致，证实了优异的重复性与器件间一致性。

结论与展望
该研究通过SPP-MIM杂化超薄膜的创新设计，首次在单模光纤端面实现了平坦等离子体界面的高效激发，解决了纳米结构界面不稳定的核心难题。器件兼具10^-7 RIU级折射率灵敏度和亚皮摩尔检测能力，性能指标超越既往所有光纤端面等离子体传感器。更值得关注的是，这种超薄膜结构通过调节间隙层折射率，可进一步将倏逝场深度压缩至100 nm以下，为发展新一代"SPR-LSPR融合型"传感平台开辟了新路径。

从技术应用角度看，该成果使光纤尖端等离子体传感真正具备了与传统棱镜SPR竞争的实力，特别适合人工智能预测分子相互作用结构爆发背景下的高通量药物筛选需求。未来可进一步拓展至纳米颗粒数字传感、荧光检测等领域，或通过界面工程调控非Langmuir结合动力学，为复杂生物体系检测提供新范式。