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瑞士與美國研究人員攜手研發出一款新型電漿子晶片(plasmonic chip)，能夠在水中以超高靈敏度測量紅外光吸收光譜。多數生物分子存在於水性環境中，但由於水分子會強烈吸收紅外光，這使得即時監控生物分子交互作用變得相當困難。然而，此元件不僅能克服上述問題，並且和傳統複雜的光學儀器相較之下，僅需少量樣品便能完成紅外光吸收光譜。
許多分子在紅外光照射下會產生振動，而分子振動模式則與其鍵結有關。因此，若能探測分析生物分子振動便能間接得知樣本分子結構，甚至能更佳瞭解其基本生物功能。此外，這些資訊更可望用來監控病情如何進展，並有助於改良治療方法。
近年來，新興研究領域「電漿子學」(plasmonics)利用特別製作的金屬奈米微粒能與中紅外光波段產生共振。這些奈米粒子利用了侷域性表面電漿子(localized surface plasmon)，也就是金屬表面電子的集體振盪行為，並且能作為可捕捉更多光線的高效奈米天線。如此發生在紅外光頻譜下的電漿子共振可用來探測分子中各種不同的振動模式。
然而，在水性環境下測量紅外光光譜最大的困難在於，水分子會強烈吸收此紅外電磁波段。更明確地來說，因水分子所導致的背景訊號將會掩蓋並遮蔽實驗中生物樣本產生的訊息。在理想情況下，研究人員希望能夠量測薄膜樣本，厚度約5-100 nm，而隔絕來自於其他地方的影響。
最近，瑞士洛桑聯邦理工學院(EPFL) Hatice Altug團隊與美國波士頓(Boston)大學研究人員聯手所打造的高敏電漿子晶片能克服上述問題。此元件具有特殊設計的奈米金天線陣列，該結構製作於光學透明的氟化鈣基板上。研究人員把所欲測量之樣本置於天線陣列上方的流體空腔中，然後從晶片背面照射光線，奈米天線會捕捉、儲存並且以電漿子共振形式將光集聚於表面處。接著，這些天線會將光線以極高效率導回原方向並入射於探測器中。如此操作方式使得光線無須穿越全部樣本，而只與實驗所感興趣的生物分子產生強烈交互作用。
因為僅有表面薄層的分子會參與此交互作用，而其所包含的訊息則「壓印」(imprinted)入向後散射的光線中。因此，此技術不僅具有高靈敏度，並且能隔絕水介質所產生的背景訊號。研究人員利用此技術觀察與生物免疫反應有關的蛋白結合交互作用(protein-protein binding interaction)，同時研究分子與各種大小奈米微粒的交互作用，並且能追蹤不同分子團在樣本內的移動情形。與一般複雜的光學儀器相較，僅需數千分之一大小的樣品即能進行紅外光光譜量測。
該團隊希望未來能應用此技術研究與疾病相關之分子，並且發展其他功能，譬如結合先進微流體系統以增進對樣本的控制能力。詳見Nature Communications ｜doi:10.1038/ncomms3154。 |