梯度等离子体超表面芯片：高通量制造技术推动中红外光谱在复杂生物流体分析中的突破应用

这篇开创性研究报道了基于硅氮化物(Si3N4)薄膜的梯度微孔阵列(MHA)等离子体超表面芯片，通过晶圆级制造实现单次生产≈400个传感器。该技术突破性地解决了传统表面增强红外吸收光谱(SEIRAS)在复杂生物样本分析中的三大瓶颈：1)采用高通量紫外光刻替代电子束光刻；2)通过透射模式EOT共振简化光学读出系统；3)设计梯度共振覆盖1200-2000 cm-1指纹区，实现分子振动带的精准对齐。在卵巢癌患者腹腔积液分析中展现出20倍信号增强，为生物医学诊断提供了革新性工具。

　　

2.1 高通量制造的梯度等离子体微孔阵列超表面芯片

研究团队在6英寸硅晶圆上通过低压化学气相沉积(LPCVD)制备400 nm厚Si₃N₄薄膜，结合紫外光刻和反应离子刻蚀(RIE)技术，单次制备含≈400个芯片的晶圆。每个芯片包含3个3.0 mm×0.7 mm的悬浮膜，镀118 nm金层后形成六方晶格微孔阵列，其几何参数通过缩放因子S在1.38-0.8范围内梯度变化。扫描电镜显示孔侧壁因掠射角沉积效应形成孤立金纳米结构，这种独特形貌增强了局域表面等离子体(LSP)效应。

2.2 MHA超表面的等离子体共振特性

微孔阵列通过暗模表面等离子体激元(SPP)与亮模LSP的相互作用，产生法诺(Fano)型异常光学传输(EOT)共振。仿真显示在1600 cm^-1共振处电场增强达11倍，有效模式体积仅0.0022(λ/n_eff)³。量子级联激光器(QCL)高光谱成像证实，30个超表面产生的400余个尖锐共振峰均匀覆盖指纹区，相邻超表面共振分布重叠约20 cm^-1，确保全波段连续覆盖。

2.3 基于共振对齐的SEIRAS研究

以聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的羰基振动带(1730 cm^-1)为模型，研究发现当等离子共振与分子振动精确对齐时，吸收带呈现对称高斯线型；而失谐时则变为不对称法诺线型。通过自建算法定量分析显示，零失谐点时吸收强度最大且不对称因子α趋近于零。在卵巢癌患者腹腔积液分析中，旋涂50 μL样品即可实现1656 cm^-1处酰胺I带40%吸光度，较传统CaF₂基底提升20倍，并能分辨仅相差12 cm^-1的1644/1656 cm^-1双峰。

3 讨论与展望

该技术突破传统SEIRAS依赖红外透明基底的限制，通过Si₃N₄薄膜实现与半导体工艺兼容的晶圆级制造。透射模式工作方式允许使用简易光学系统（如微测辐射热计相机）进行检测，为开发便携式诊断设备奠定基础。梯度超表面设计通过空间编码共振解决了复杂生物样本宽带指纹采集的难题，未来结合机器学习算法，有望建立卵巢癌等疾病的特征光谱数据库。在70 nm PMMA模型和真实腹腔积液样本中的成功验证，标志着该技术已具备转化医学应用潜力。

4 实验方法精要

数值仿真采用CST Microwave Studio和Tidy3D FDTD软件，精确模拟EOT效应。生物样本处理采用0.22 μm过滤后4000 rpm旋涂，确保膜完整性。光学检测整合傅里叶变换红外光谱(FTIR)和QCL显微镜双平台，MCT探测器保障2 cm^-1高分辨率。数据处理中引入法诺线型拟合算法定量表征共振品质因子(Q≈35-50)和电场增强效应，为后续生物标志物定量分析建立标准化流程。