《Sensors and Actuators A: Physical》：Dual-Channel Over-Coupled Metasurface Biosensor for Broadband Molecular Fingerprint Retrieval and Detection
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提出了一种基于TCMT的过耦合超表面生物传感器。
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约4μm的宽带近场增强技术实现了无失
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提出了一种基于TCMT的过耦合超表面生物传感器。
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约4μm的宽带近场增强技术实现了无失真的指纹识别。
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双通道机制支持定性和定量分析的同步进行。
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优化的纳米间隙显著增强了光与物质的相互作用及传感器的灵敏度。
引言
中红外光谱技术在化学分析和结构鉴定中发挥着不可或缺的作用。其重要性在于它可以覆盖大多数分子振动模式和某些旋转模式，从而能够直接表征化学键的振动特性[1], [2], [3], [4]。然而，在微量检测场景中，由于分子的吸收截面有限以及光与物质的相互作用路径较短，信号强度往往难以满足高灵敏度检测的要求[5], [6]。为了克服传统红外吸收光谱在低浓度时的灵敏度限制，表面增强红外吸收（SEIRA）技术受到了广泛关注[7], [8], [9]。近年来，超表面作为一种有前景的SEIRA平台应运而生。它们在亚波长尺度上操控局部电磁场的卓越能力，加上出色的设计灵活性和集成能力，使得传感器能够实现高度小型化和高效化[10], [11], [12], [14]。
传统的超表面设计主要依赖于单一的等离子体或介电共振模式[15], [16]。这些模式本质上是窄带性的，通常会将局部电场增强限制在特定的光谱范围内[17], [18], [19]。这一限制使得难以实现对覆盖宽光谱范围的分子指纹信号的全面或宽带匹配。虽然已经提出了一些设备工程策略来拓宽带宽，但这些策略往往伴随着显著的物理折中或制造复杂性。例如，使用单个单元格的多共振设计旨在实现多峰响应[20], [21], [22], [23], [24]，但由于结构自由度的限制和模式之间的耦合条件，它们难以实现对连续光谱区域的全面覆盖。另一种方法是通过空间集成不同的共振单元来扩大整体响应，但这会导致设备宏观尺寸的显著增大[25], [26], [27], [28]。其他解决方案包括角度复用和梯度超表面设计[29], [30], [31], [32]，前者依赖于机械调谐来诱导共振位移，导致测试过程繁琐且效率低下；后者则对当前的微纳制造工艺提出了严格的尺寸梯度要求。
最近，基于时间耦合模式理论（TCMT）的过耦合（OC）机制已被证明是克服窄带限制的有效方法[33], [34], [35], [36], [37]。通过精确调整单元格系统中的辐射损耗与非辐射损耗比例，可以实现宽带局部电场增强，并有效抑制不对称的Fano共振干涉[38]。值得注意的是，现有的基于这种机制的金属-绝缘体-金属（MIM）超表面主要使用低折射率（RI）晶体（如MgF2或Al2O3）作为中间介电层。尽管这些材料具有高的红外透明性，但对特定块状晶体基底的依赖限制了它们的应用范围。此外，单个OC谐振器的共振中心频率会随着分析物浓度的增加而动态红移。在高负载条件下，这种光谱失谐会不可避免地改变近场信号放大效率，使得仅基于信号强度的评估方法变得不够严谨且易受偏差影响。
充考材料工程和物理机制的协同优化，我们提出了一种十字形MIM超表面架构，该架构采用非晶硅（a-Si）作为中间介电层。与块状晶体不同，a-Si隔层可以通过标准等离子体增强化学气相沉积（PECVD）在较大面积上均匀沉积。所提出的设计能够同时激发多维共振模式，从而建立了一种双轨传感机制。一方面，它实现了在中红外指纹区域内大约4μm的连续宽带近场增强，便于宽光谱覆盖和复杂分子振动带的定性识别；另一方面，在2.8μm附近激发了高阶窄带共振。这种双轨系统使单个超表面能够在获取宽分子指纹信息的同时，基于共振峰位移进行精确的定量分析。通过使用蛋白质大分子（牛血清白蛋白，BSA）和氨基酸小分子（酪氨酸，Tyr）的系统验证，这项工作展示了MIM超表面在复杂生物分子传感方面的巨大潜力，为下一代高度集成的片上红外微量检测提供了可行的优化路径。
章节摘录
样品制备和分子装载
所提出的超表面的视觉表示和几何配置见补充材料中的图S1a。该设备具有十字形元原子阵列，晶格周期为600nm，长臂长度为550nm，短臂宽度为110nm，间隙为50nm。设备制作在单面抛光硅衬底上。样品制备过程中，首先使用有机溶剂对单面抛光硅衬底进行超声处理
理论机制和耦合状态转换
所提出的超表面结构及其传感机制如图1a所示。这种图案化层支持特定的电磁共振模式，并能够实现局部场操控。详细的制造过程见图S1b。图1b展示了基于TCMT的分析框架示意图，说明了在不同耦合状态下超表面吸收光谱和相应传感带宽的变化情况。
结论
总之，我们通过实验验证了一种基于TCMT工程化的MIM超表面的协同传感方法，用于宽带SEIRA传感。通过实施损耗工程，实现了在中红外指纹区域内大约4μm的连续近场增强效果。此外，优化纳米间隙几何结构增强了近场耦合，进一步提高了光与物质的相互作用，从而提高了微量分子的检测灵敏度
附录A. 补充数据
制造工艺流程图、超表面的详细结构参数、a-Si的固有吸收光谱以及介电层厚度的表征数据。
CRediT作者贡献声明
Yusa Chen： 形式分析。 Mingyao Gao： 软件开发。 Wengang Wu： 文稿撰写 – 审查与编辑、项目监督、研究实施、资金筹集、概念构思。 Shuai Wang： 初始稿撰写、验证、方法论研究、数据管理。 Lijun Ma： 方法论研究、数据管理。 Dingbang Liu： 软件开发、方法论研究。 Hongshun Sun： 形式分析。 Yunhao Cao： 方法论研究。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
致谢
本工作得到了 Hutuo众筹项目（项目编号2577905907A-1）、北京市自然科学基金（项目编号7252138）以及国家重点研发计划（项目编号2021YFB3200100）的支持。
利益冲突
作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究工作的财务利益或个人关系。
Shuai Wang 目前在北京大学攻读集成电路科学与工程博士学位。他于2020年获得武汉工业大学能源与动力工程学士学位，2023年获得武汉大学机电工程硕士学位。他的主要研究方向包括超材料/超表面和光学生物传感技术。
