英國與法國科學家最近研發出一種新技術，可望用來製作能偵測單一分子的化學感測器。他們製做的電漿子超穎材料(plasmonic metamaterial)奈米結構陣列會與特定波長的光產生強烈交互作用，即使僅有一個目標分子附著於此奈米結構，材料的光學特性仍會發生劇烈改變，顯示該化學成分的存在。
超穎材料是由微小金屬結構的陣列所構成，能透過微調使其與電磁波依特定方式產生交互作用。改變陣列的大小、形狀以及排列方式能使超穎材料提供特定頻率的電漿子(即傳導電子的集體振盪行為)。此電漿子超穎材料是由Sasha Grigorenko與其在曼徹斯特(Manchester)大學及埃克斯馬賽(Aix-Marseille)大學的合作者所研發，他們在玻璃基板上製作金陣列結構，每個結構高約90 nm、寬100 nm且相距300 nm。最基本的單位晶胞為單一金柱，其他晶胞包含雙柱、啞鈴狀和凹陷結構等。
上述設計會完全吸收波長約710 nm的紅光，而當微量目標分子附著此金奈米結構時，材料便會發生反射。為增加對分子的靈敏度，此陣列表面塗佈能幫助分子附著的化學物質，每一奈米結構約有2000處此類附著點。該團隊以蛋白質鏈黴親和素(streptavidin)進行實驗，他們將波長710 nm的紅光以53°入射角照射陣列表面，並測量反射光強度以及S偏振光與P偏振光間的相對相位，此相位對於陣列反射特性的微小變化極為敏銳。
當將陣列浸於鏈黴親和素稀釋溶液數分鐘後，量測數據便可見明顯的反射光變化及相位偏移。該團隊估算此元件的偵測靈敏度約在每奈米結構1-4個鏈黴親和素分子。不過他們表示利用先進相位偵測技術可提升靈敏度至每奈米結構僅需0.004個分子，相當於每平方微米不到一個分子，超過僅靠光強度判斷的電漿子感測器達2-3個數量級。該元件可藉由石墨烯(graphene)協助校準：將石墨烯覆蓋於陣列元件上並以氫原子轟擊，透過拉曼光譜來測量附著於石墨烯上的氫原子數量，可提供獨立校準。
該團隊現在正尋求更經濟的陣列製造方式。目前的裝置是由昂貴的電子束微影製程打造，他們希望發展低成本的自組裝技術，同時研發更佳的相位測量技術，長期目標為製造出能偵測微量化學物質的感測器。詳見Nature Materials｜doi:10.1038/nmat3537。
原始網站:http://nano.nchc.org.tw/
譯者:丁逸勳(台灣海洋大學材料工程研究所)
責任編輯:蔡雅芝