清华校友研发室温液态金属纳米光学分子传感器，利用其“热点”可实现对极少量目标分子的高灵敏检测

“几个月前，我的办公桌上放了个小塑料瓶，里面有少量液态镓。我时不时观察一下，甚至摇一摇塑料瓶看是否会引起液态镓的变化。过了这么久样品仍处于液态，虽然其温度应该早已在 23°C 的室温附近。所以，基于液态镓的器件并不需要维持在 30°C 以上，在室温甚至更低温度下完全可以工作。而我们的实验均在普通室温环境下进行。”

对于刚发表的新论文，纽约州立大学布法罗分校电气工程系教授刘强提到了一件研究趣事。

同时他表示，自从用液态镓制备器件以来，他才了解到液态镓是一种很有趣的物质。虽然镓的熔点是 30°C，但是液态镓就算温度远远低于熔点，仍可保持液态（类似过冷水）。

利用液态镓的多种良好物理特性，刘强和团队开创了一种基于液态镓的纳米光学分子传感器的新颖器件设计理念。

该器件结构不仅能实现具有超强光场局限的纳米腔（即所谓的“热点”，hot spot），而且具备独特且简便的制备和实验操作过程，这让被检测分子能较高效地进入热点区域，因此实现了对极少量目标分子（如单分子层）的高灵敏度检测。

1 月 6 日，相关论文以《基于液态金属的纳米光子学结构用于高性能 SEIRA 传感》（Liquid-Metal-Based Nanophotonic Structures for High-Performance SEIRA Sensing）为题，发表在 Advanced Materials 上，刘强担任通讯作者。

他表示：“我们研究这类分子传感器的主要目的是想推进生物分子的光学检测技术和相关应用，比如医疗诊断、健康监测等。”

据悉，光学分子传感器不仅能实现高灵敏度和高特异性的分子检测，与基于化学反应的方法等其它类生物分子检测技术相比，具备速度更快的优势。

同时，该分子传感器还有诸多其它潜在应用，比如检测污染物、有毒有害物质、或危险品。

刘强说道：“该工作展示了在纳米光学分子传感器领域，液态金属或具备广阔应用空间，因为利用液态金属不仅可实现优越的器件性能，而且能简化器件制备和分子检测操作流程，因此更加适用于实验室之外的各种应用场景。”

“尝试了一个现在看来比较天真的想法”

研究背景要从传统纳米光学传感器说起。传统纳米光学传感器大多基于由固态贵金属（如金、银）形成的纳米结构，来增强光和被检测物质之间的相互作用。

近些年，也有一些基于石墨烯等离子激元的器件结构在中红外波段显示出优越的性能。总体来讲，在纳米光学传感器领域，多年来的研究重点主要在于设计、并制备具有更强光场局限能力的纳米结构，以便不断增强光与物质的相互作用。

在增强纳米光子结构对光场的局限能力上，常见策略是缩小热点尺寸。此前，各类具有纳米尺度、甚至亚纳米尺度热点的光子结构已被成功展示。

如果一些分子进入热点区域，就能和光场产生很强的相互作用，从而可通过测量光谱将其检测到。但是，当光子结构的热点缩小到真正的纳米尺度，尤其是和被检测的目标分子的大小相当的程度，目标分子便很难进入到热点区域内。

比如，想要检测某种溶液中的浓度极低的目标分子，但是这些分子只能通过随机扩散过程进入纳米尺度的传感器热点区域，可想而知这一过程是非常低效的。

最终能到达热点区域的目标分子数量可能非常有限，而绝大多数目标分子会留在热点区域外，并对测量所得的光信号基本没有贡献。

因此，只注重缩小传统纳米光学传感器的热点尺寸、去提升光场局限度的策略，未必会提升器件的整体性能，反而可能会因为遇到分子输运瓶颈而适得其反。

要想用更强的光场局域去增强光物相互作用，就得实现更小的热点结构。但是，更小的热点结构又会导致目标分子更难进入热点，这似乎是一个鱼与熊掌不可兼得的基本矛盾。

当采用传统的先制备完整器件、再引入被检测样品的方法时，这一基本矛盾难以避免。

然而，如果把被检测样品先引入到仅“部分完工”的纳米光学传感器的适当位置，（“部分完工”是指纳米尺度热点还未形成），再对器件进行最后的“封顶”工作，以形成已囊括目标分子的纳米尺度热点，上述矛盾则可迎刃而解。

理论来讲，该方法可用于各种纳米光学传感器上，但在实际操作上并不易实现，因为在传统方法中，完全基于固体金属纳米结构的器件制备过程既复杂、又苛刻。因此，先引入被检测样品、再完成器件结构的流程，很可能与器件的纳米制备过程无法兼容。

此次研究正是针对这一问题，展示了利用液态金属比如液态镓来形成纳米光子结构的一部分，从而达成先把被检测样品引到器件、再完成器件整体结构的目标，进而实现了目标分子的高灵敏度检测。

此外，这种纳米光子结构的实现方法便宜且便捷，只需用液态金属覆盖已引入被检测样品的器件表面，非常适合在实验室之外的环境中操作，因此有望带来广泛的应用前景。

几年前，刘强团队就致力于探索如何解决上述减小热点尺度与将目标分子高效输运至热点之间的基本矛盾。

他们这项工作最初的想法仍然是使用传统的完全基于固态金属的器件结构，不同的是采用了新型器件制备的路线。

“比如，我们先尝试了一个现在看来比较天真的想法：将一个表面已吸附目标分子的金纳米窄带的样品，与另一个表面是连续金薄膜的样品直接压一起，以尝试形成纳米尺度的中红外谐振腔。并在实验中用硅片作为衬底，以保证样品的表面平整度。同时选择 1-octadecanethiol（ODT）作为目标分子，因为 ODT 分子可以在金表面通过自主装形成致密的单分子层，且是该领域内用以表征纳米光学传感器性能的常用目标分子之一。”刘强表示。

但经过几次尝试后，刘强和团队发现这种将两个宏观尺度的刚性样品、用适当的力直接压在一起以形成纳米谐振腔的想法行不通，因为很难在足够大的面积内形成在微观尺度上较为完美的表面接触，要知道完美状态下表面间隙不会超出几纳米。

当然，刘强和团队仅用手工方式对器件施压，压力值并不高。刘强认为，如果采用机械装置，施加数倍数量级以上的压力，也许可以形成纳米谐振腔。

但是，那并不是一种理想的器件制备方式，而且压力过高也可能会导致各种问题，比如器件衬底碎裂，因此他们并未继续探索这一方案。

接下来，他和团队又尝试使用电子束蒸发镀膜的方法，直接把金薄膜淀积到已经吸附单分子层的金纳米窄带上，从而形成具有纳米尺度热点的中红外谐振腔。

“但出乎意料的是这个方法也没有成功。尝试几次后，我们发现原因很可能是单分子层在电子束蒸发镀膜的过程中遭到了破坏，因此并没有形成预期的纳米谐振腔结构，要知道在样品反射谱中，完全看不到预期的谐振腔特征峰。”刘强说道。

于是，他又尝试先在单分子层上，用低温原子层沉积的方法淀积一层几个纳米的绝缘体保护层，再进而用电子束蒸发镀膜来淀积金薄膜。

这一器件制备流程较为成功地保护了单分子层，借此也测量到预期的分子红外振动模式所对应的吸收谱。

“当然，我们知道这样的器件制备过程——即引入被测样品后再进行两步镀膜，在实际应用中并不现实。做这一步实验的主要目的是验证该器件结构是否可以工作，并了解其产生的分子检测信号的大致强度。”刘强补充称。

得到初步实验结果后，刘强又开始思考是否有非传统的器件制备方法，可在引入被检测样品后无需镀膜工艺就能实现此类纳米器件结构。

在此期间，他从柔性电子器件领域的同行近期成果中得到启发，遂打算使用液态金属取代上述纳米光子结构中的连续金薄膜。

对可选液态金属做完调研后，他决定先尝试液态镓。镓是一种无毒性、熔点低（30°C）、金属性较好、且相对廉价的金属。

虽然将固态金薄膜换成液态镓，器件的工作机制没有本质变化，但这一材料的替换大大简化了器件制备过程：只需将吸附了目标分子的金纳米窄带样品，直接放置在液态镓的表面，便可能形成纳米谐振腔。

刘强表示：“做实验之前我们并不知道该想法是否可行。幸运的是，我的学生苗祥龙尝试了几次，就取得了不错的结果。虽然前几批器件并不完美，但让我们看到这条路确实行得通。”

于是，苗祥龙又展开多次实验，不断优化器件制备和引入液态镓的操作过程，最终实验结果十分令人满意：这些基于液态金属的分子传感器，不仅制备流程相对简单，对 ODT 单分子层的检测灵敏度，也高于此前报道的各种完全基于固态金属纳米结构的器件。

虽然实验结果整体还不错，但该团队依然未能弄清楚几个细节，比如一个有趣现象是实验中观测到的纳米谐振腔的谐振频率明显高于仿真预测值。

尽管实验与仿真不能完全吻合也算正常情况，但是刘强和团队认为当时看到的两者差别超出了正常范围，因此应该不只是普通的实验与仿真不完全吻合，而是有一些尚未发现的原因。

经过一番更为仔细的数据分析、实验验证和建模仿真，该团队最终发现主要原因是金纳米窄带的表面粗糙度，致使纳米谐振腔的有效厚度大于此前预期值。

如果将这一表面粗糙度引入器件仿真模型中，仿真与实验结果就吻合得很好。这一发现也对刘强的下一步工作提供了很好的指导：即通过降低金纳米窄带的表面粗糙度，或可进一步增强该器件结构的光场局限能力，从而提高器件的分子检测灵敏度。

曾以优秀毕业生荣誉获得清华电子工程学士学位

刘强是一名清华校友，2007 年获得清华大学电子工程学士学位及清华大学优秀毕业生荣誉，后于 2012 年在美国普林斯顿大学获得电气工程博士学位。

博士毕业后，先后来到瑞士苏黎世联邦理工学院量子电子研究所和物理系、以及美国桑迪亚国家实验室，做了两站博士后。2017 年加入美国纽约布法罗大学电气工程系担任教授至今。

未来，他打算计划继续设计新的器件结构，并优化器件制备流程，比如之前提到的降低金结构的表面粗糙度，以便进一步提高器件性能。

另一方面，他也将使用这类器件做检测真正生物分子的实验，譬如人体内与某些疾病相关的蛋白质或 DNR/RNA 片段。

其表示：“做这类生物分子检测的实验流程，肯定比之前检测单层 ODT 分子复杂，所以需要一段时间进行尝试和摸索，以确定一套可靠有效的操作流程。同时，对于器件的结构设计，我们也会针对不同波长范围和分子大小做出调整。”

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参考：

1、Miao, X., Luk, T. S., & Liu, P. Q. (2022). Liquid‐Metal‐Based Nanophotonic Structures for High‐Performance SEIRA Sensing. Advanced Materials, 2107950.