. 研究成果概述
2025年7月3日，浙江大學(xué)何賽靈研究團(tuán)隊(duì)在《Nature Communications》期刊在線發(fā)表了題為“Ultrasensitive Imaging-based Sensor Unlocked by Differential Guided-Mode Resonance”的研究論文。
該工作提出了基于“差分導(dǎo)模共振”（differential guided-mode resonance, dGMR）的新型圖像式傳感機(jī)制，通過在波導(dǎo)層引入十納米級(jí)厚度調(diào)控，構(gòu)造出對(duì)折射率變化極度敏感的差分導(dǎo)模共振傳感結(jié)構(gòu)（圖1），實(shí)現(xiàn)了近百萬(wàn)像素每折射率單位（990000 pixels/RIU）的成像傳感靈敏度，在中等Q因子（~100）共振峰的條件下，品質(zhì)因數(shù)（FOM）達(dá)到104 RIU-1，有效緩解了傳統(tǒng)高靈敏諧振型傳感器件對(duì)高Q值的依賴。同時(shí)，該方案還支持免光刻的大面積制備，并配套開發(fā)了便攜式檢測(cè)原型裝置，顯示出在生化分析、蛋白檢測(cè)和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中的巨大潛力。
圖1 差分導(dǎo)模共振傳感原理示意
2. 背景介紹
近年來，隨著可視化傳感理念的發(fā)展與圖像處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，成像型傳感器在醫(yī)學(xué)診斷、環(huán)境監(jiān)測(cè)、安全檢測(cè)等領(lǐng)域顯示出獨(dú)特的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。相較于傳統(tǒng)的光譜儀或單點(diǎn)檢測(cè)式傳感器，此類器件能夠?qū)⒈粶y(cè)物理或化學(xué)參數(shù)直接轉(zhuǎn)化為可視圖像，實(shí)現(xiàn)信息的直觀呈現(xiàn)，便于快速讀取，并降低了對(duì)專業(yè)操作的依賴。目前，主流成像型傳感方法涵蓋熒光成像、拉曼成像和折射率成像等。其中，折射率成像因其具有無需標(biāo)記、適配范圍廣等優(yōu)勢(shì)，受到廣泛關(guān)注。其基本原理為光學(xué)共振條件對(duì)周圍折射率變化的高度敏感性，并在圖像中呈現(xiàn)可觀測(cè)的響應(yīng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)變化的直觀識(shí)別。然而，現(xiàn)有的成像型折射率傳感技術(shù)存在靈敏度較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備成本高等限制。即便引入梯度超表面等創(chuàng)新設(shè)計(jì)，其典型成像傳感靈敏度也停留在約103 pixels/RIU的水平。
圖像型傳感器因其“可視化”的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)而備受矚目，然而，在這一背景下，如何讓其不僅“看得見”，更能“看得準(zhǔn)”，使其同時(shí)具備更高的靈敏度、更寬的動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍及更簡(jiǎn)化的制造工藝，始終是科研和產(chǎn)業(yè)界面臨的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。
3. 文章亮點(diǎn)
基于上述挑戰(zhàn)，何賽靈研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于差分導(dǎo)模共振（differential Guided-Mode Resonance, dGMR）機(jī)制的成像型折射率傳感器方案，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了百萬(wàn)級(jí)像素靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍重構(gòu)能力以及中等Q值下的高性能探測(cè)。
1）差分導(dǎo)模共振傳感機(jī)制的概念
圖2所示的理論分析表明，在基于棱鏡耦合的導(dǎo)模共振結(jié)構(gòu)中，諧振厚度t（即在厚度t處產(chǎn)生諧振）是折射率n的連續(xù)單調(diào)函數(shù)。厚度-折射率的這種關(guān)系意味著改變折射率將在具有特定厚度的介質(zhì)層中激發(fā)相應(yīng)的諧振模。在本工作中，團(tuán)隊(duì)通過厚度梯度的調(diào)制，巧妙的引入兩個(gè)諧振條件差異較小的導(dǎo)模共振（GMR）結(jié)構(gòu)，從而得到一個(gè)dGMR傳感單元，并作為折射率變化的指示器（圖2）。
圖2 差分導(dǎo)模共振傳感機(jī)制的仿真分析
2）基于厚度調(diào)制的像素化二值圖像傳感平臺(tái)
如圖3所示，為驗(yàn)證該厚度-折射率映射關(guān)系，團(tuán)隊(duì)結(jié)合微流芯片技術(shù)，制造了一個(gè)具有二維碼狀像素塊的厚度調(diào)制波導(dǎo)層。其中，每個(gè)像素塊的厚度通過灰度電子束光刻進(jìn)行調(diào)控。外界折射率變化時(shí)，會(huì)激發(fā)’二維碼’不同位置處的導(dǎo)模共振，通過監(jiān)測(cè)二維碼圖案變化，可以有效地解碼周圍環(huán)境的折射率。這種二維碼的變化也可以用于光學(xué)加密應(yīng)用，折射率或濃度信息可以被編碼到像素化的厚度調(diào)制波導(dǎo)層。當(dāng)注入特定溶液時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)二維碼信息，通過掃描此二維碼，可以解碼加密的折射率和濃度信息，如圖3e所示。通過像素化二值圖像傳感平臺(tái)，有望實(shí)現(xiàn)折射率的盲讀功能，不需要用標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行校準(zhǔn)。
圖3 基于厚度調(diào)制的像素化二值圖像傳感平臺(tái)
3）連續(xù)納米厚度梯度調(diào)控下的超高靈敏傳感芯片平臺(tái)
通過理論分析，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)dGMR單元的厚度差越小，器件靈敏度越高�；诖�，通過使用無光刻方法（PECVD沉積中的誤差），團(tuán)隊(duì)構(gòu)建了具有納米級(jí)厚度差的導(dǎo)模結(jié)構(gòu)，顯著提升了系統(tǒng)對(duì)折射率變化的響應(yīng)能力（圖4）。在保持中等Q因子（~100）的前提下，即可實(shí)現(xiàn)高達(dá)990000 pixel/RIU的靈敏度，遠(yuǎn)超同類型成像傳感技術(shù)近三個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，團(tuán)隊(duì)還系統(tǒng)分析了dGMR結(jié)構(gòu)在不同入射角下的共振行為，發(fā)現(xiàn)其動(dòng)態(tài)響應(yīng)范圍可通過入射角進(jìn)行靈活調(diào)節(jié)，緩解了高靈敏度與寬動(dòng)態(tài)范圍的固有權(quán)衡限制，為多場(chǎng)景下的調(diào)節(jié)與兼容應(yīng)用提供了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。此外，團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了便攜式的檢測(cè)裝置原型，并初步驗(yàn)證了其在濕度探測(cè)應(yīng)用中的實(shí)際可行性（圖5）。
圖4 連續(xù)納米厚度梯度調(diào)控下的超高靈敏傳感芯片平臺(tái)
圖5 厚度調(diào)制折射率傳感的便攜式設(shè)備設(shè)計(jì)
4. 總結(jié)與展望
該工作提出了基于差分導(dǎo)模共振的新型圖像式傳感機(jī)制，構(gòu)造出對(duì)折射率變化極度敏感的差分導(dǎo)模共振傳感結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了近百萬(wàn)像素每折射率單位（990000 pixels/RIU）的成像傳感靈敏度。同時(shí)，該方案可通過調(diào)節(jié)入射角靈活調(diào)控動(dòng)態(tài)范圍，從而緩解了靈敏度與動(dòng)態(tài)范圍之間的固有權(quán)衡關(guān)系。此外，該方案還支持免光刻的大面積制備，并配套開發(fā)了便攜式檢測(cè)原型裝置，顯示出在生化分析和環(huán)境監(jiān)測(cè)等應(yīng)用中的巨大潛力。未來，團(tuán)隊(duì)擬進(jìn)一步結(jié)合高精度電子束光刻和3D打印等先進(jìn)制造工藝，推動(dòng)差分導(dǎo)模共振（dGMR）傳感芯片向更高空間分辨率、更大規(guī)模陣列化方向發(fā)展。同時(shí)，也將探索與智能終端設(shè)備（如手機(jī)攝像頭、可穿戴設(shè)備）的集成方案。此外，還可結(jié)合團(tuán)隊(duì)先前工作及技術(shù)，如相位探測(cè)、BIC超表面和先進(jìn)光譜成像技術(shù)等（Nano Letters 2023, 23, 22, 10441–10448; Nature Nanotechnology 2024, 19, 1635–1643；Nano Letters 24, 36, 11156-11162, 2024.），進(jìn)一步優(yōu)化并提升器件的多維探測(cè)能力。
本文并列第一作者為浙江大學(xué)的劉振超博士和范厚鑫博士生，通訊作者為浙江大學(xué)何賽靈教授及郭庭彪副研究員。此外，譚沁博士、張智博士生、孫雨威博士生、Julian Evans副教授，以及浙江省恩澤醫(yī)療中心集團(tuán)臺(tái)州醫(yī)院梁軍波和張銳利教授也在其中作出了重要貢獻(xiàn)。該研究主要受國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、浙江省尖兵領(lǐng)雁計(jì)劃、寧波市科技計(jì)劃項(xiàng)目、上海張江科學(xué)城專項(xiàng)發(fā)展基金、國(guó)家自然科學(xué)基金、中央高�；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)等項(xiàng)目的大力支持。
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