长期以来，光学传感技术在生物医学、环境监测等领域的应用中面临着灵敏度不足的挑战。现有的包括等离激元共振(SPR)在内的多种技术在提升传感性能方面取得了一定进展，但仍存在诸多限制，如容易产生热、灵敏度不够高等问题。
近日，中国科学院深圳先进技术研究院李光元和刘运辉研究团队在全介电超表面的研究中取得重要进展。该团队的研究成果以“Homogeneous and Significant Near-Field Enhancement in All-Dielectric Metasurfaces”为题发表在光学材料领域权威期刊《先进光学材料》(Advanced Optical Materials)上，并入选了杂志当期内封面论文(Inside Front Cover)。这项研究开发了一种通过全介电超表面实现均匀且显著的近场增强新方法，为高灵敏度的光学生物传感应用提供新的解决方案。
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全介电超表面凭借其高品质因数(Q因数)、大近场增强能力和不易产生热，成为了光学传感应用中的一个新平台。然而，传统的全介电超表面在增强近场时，往往将光场束缚于介电纳米结构内部，而非外部的待传感区域，从而严重限制了体折射率灵敏度和生物传感性能。
本研究通过设计一种由两个相对位移的晶格复用形成的硅基超表面，利用两个表面晶格共振模式之间的干涉相消实现了非局域准束缚态(nonlocal q-BICs)，在硅纳米柱外的大体积区域内产生了均匀且显著的近场增强。实验结果表明，该方法在折射率传感应用中实现了407 nm/RIU的高体折射率传感灵敏度，并在早期乳腺癌筛查中对蛋白质生物标志物的检出限达到了20 pg/mL，比目前的技术水平提高了35倍。
新方法在ERBB2的检测限度达到了20 pg/mL，比现有技术提高了35倍
通过利用表面晶格共振之间干涉相消形成的非局域性q-BIC，这项研究成功地克服了传统的高Q值表面晶格共振对均匀介电环境的苛刻要求，从而大幅提升了在非均匀介电环境下超表面的Q因数和近场增强能力。这种设计不仅在理论上达到了478 nm/RIU的折射率灵敏度，在实验中也实现了407 nm/RIU的高灵敏度，远远超越了绝大多数全介电超表面的q-BICs。
两个相对位移的晶格杂化形成的硅基超表面，实现非局域准束缚态(q-BICs)，在硅纳米柱外部区域内产生均匀且显著的近场增强
该研究的成功为大体积区域内实现显著的光-物质相互作用提供了新机遇，具有广泛的应用潜力，不仅局限于生化传感，还可能扩展到包括荧光增强在内的其他领域。非局域q-BICs的这一突破性进展将推动高性能光学芯片传感技术的发展，并为下一代光传感芯片的设计提供重要参考。
李光元副研究员和刘运辉副研究员为本文的共同通讯作者。这项研究获得了国家自然科学基金、深圳市医学研究专项资金、深圳市基础研究重点项目等项目的支持。
