综述：基于超表面的表面增强红外吸收（SEIRA）：原理、生化传感应用与未来展望

这篇综述系统阐述了表面增强红外吸收（SEIRA）技术的原理与超表面（Metasurface）设计策略，重点解析了金属/介电超表面通过局域表面等离子体共振（LSPR）和表面等离子体极化激元（SPP）实现红外振动信号104-105倍增强的机制，并综述了其在蛋白质、核酸等生物标志物及环境污染物检测中的突破性应用，为高灵敏度生化传感器开发提供了前瞻性指导。

　　

理论模型

表面增强红外吸收（SEIRA）技术的核心在于超表面结构对电磁场的亚波长局域增强。当入射红外光与金属纳米结构（如金、银纳米棒阵列）相互作用时，会激发两种等离子体效应：传播型表面等离子体极化激元（SPP）需通过棱镜耦合实现波矢匹配，而局域表面等离子体共振（LSPR）则通过纳米天线结构产生高度局域的电磁场增强。2008年Neubrech团队设计的亚波长纳米棒阵列首次实现中红外区10⁴倍场增强，使十八烷硫醇单分子层在2900 cm^-1处的C-H振动信号得以检测。

介电超表面则通过米氏共振和光子纳米射流效应增强光-物质相互作用，其品质因子（Q值）可达金属结构的10倍以上。石墨烯超表面因其可静电调控的等离子体特性，能在中红外指纹区实现动态调谐，为柔性传感器开发开辟新途径。

化学检测

SEIRA化学传感器通过特异性识别分子振动指纹谱实现环境污染物检测。例如：

• 农药残留：基于金纳米十字阵列的传感器对硫丹的检测限低至0.5 ppm，其增强因子达1.2×10⁵
• 挥发性有机物：多孔硅超表面通过毛细作用富集苯系物，在3050 cm^-1处芳香C-H键振动信号提升80倍
• 重金属离子：功能化纳米碗结构可捕获Hg²⁺并诱导酰胺I带位移，实现水中0.1 ppb级检测

生物检测

在医学诊断领域，SEIRA技术展现出独特优势：

• 蛋白质检测：非对称金纳米棒阵列通过偶极耦合效应将前列腺特异性抗原（PSA）检测限推进至300 zeptomole（10^-21 mol）
• 核酸分析：DNA杂交事件引发的磷酸骨架振动（1240 cm^-1）增强可实现单碱基错配识别
• 细胞监测：石墨烯-金属混合超表面捕获循环肿瘤细胞后，其膜蛋白构象变化通过酰胺I/II带位移定量反映

总结与展望

当前SEIRA技术仍面临重复性、成本与多组分检测等挑战。未来发展方向包括：

1. 人工智能辅助超表面逆向设计以优化共振特性
2. 二维材料（如MoS₂）与超表面异质集成提升Q值
3. 微流控-SEIRA联用系统实现实时动态监测
   这些突破将推动SEIRA技术在精准医疗和环境监测领域的产业化应用。