一種超材料吸收體，能夠顯著增強(qiáng)對有害物質(zhì)或生物分子的檢測

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，韓國科學(xué)技術(shù)信息通信部下屬的韓國機(jī)械與材料研究所（KIMM）和韓國蔚山科學(xué)技術(shù)學(xué)院（UNIST）研究人員組成的一支研究小組開發(fā)了一種超材料吸收體，能夠顯著增強(qiáng)對有害物質(zhì)或生物分子的檢測，其研究成果已發(fā)表于Small Methods。

（左）KIMM和UNIST聯(lián)合開發(fā)的超材料吸收體的俯視圖SEM圖像；（中）超材料吸收體微觀結(jié)構(gòu)側(cè)視圖；（右）超材料吸收體的結(jié)構(gòu)，圖中放大展示了10 nm垂直納米間隙。

KIMM納米聚合機(jī)械系統(tǒng)研究部首席研究員Joo Yun Jung博士和UNIST的Jongwon Lee教授領(lǐng)導(dǎo)的聯(lián)合研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)的這種超材料，可以通過將檢測信號放大100倍來增強(qiáng)紅外吸收光譜。這種超材料是一種具有比紅外波長更小垂直納米間隙的特殊功能材料。

紅外光譜學(xué)是一種通過測量反射光的紅外分子特征吸收來識別成分的技術(shù)。在檢測很少量的痕量目標(biāo)物質(zhì)時(shí)，由于光強(qiáng)差異很小，結(jié)果可能就不夠準(zhǔn)確。

這種超材料可以收集并釋放光能，從而產(chǎn)生可被分子吸收的更高強(qiáng)度的光。即使在檢測很少量的物質(zhì)時(shí)，利用這種放大后的信號也能得到更清晰的結(jié)果。

（左）展示了KIMM和UNIST開發(fā)的超材料吸收體的測量反射光譜。從上到下，超材料吸收體結(jié)構(gòu)中的垂直納米間隙分別為30 nm、15 nm和10 nm。黑色線條表示十八烷基硫醇（ODT）涂層前超材料吸收體的反射光譜，紅色線條表示ODT涂層后的反射光譜。兩條線的下沉量代表聚集的光量（吸收的能量，較低的反射）。波長在3.4到3.5處，ODT涂層后紅色線條的上升，表示信號放大。如果未檢測到信號，則圖形應(yīng)與藍(lán)色線條相同。兩個(gè)值之間的差值約為36%；（右）超材料吸收體的探測信號光譜。

研究人員利用金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)構(gòu)建了上圖中的十字形納米天線。中間絕緣層厚度為10 nm；垂直納米間隙用于最大化分子的光吸收。

UNIST電子工程系研究員Inyong Hwang說：“這種超材料在厚度為2.8 nm的單層膜上展示了創(chuàng)紀(jì)錄的36%差異。這是迄今為止在單層檢測實(shí)驗(yàn)中取得的最好記錄?！?br />
這種超材料的批量生產(chǎn)很容易實(shí)現(xiàn)，并且制造成本低。在超材料表面形成微結(jié)構(gòu)需要高分辨率的光刻技術(shù)，不過，該團(tuán)隊(duì)的SEIRA平臺(tái)依賴于更經(jīng)濟(jì)的納米壓印光刻和干法蝕刻工藝。

KIMM首席研究員Joo Yun Jung博士說：“利用納米壓印工藝，我們可以在金屬-絕緣體-金屬結(jié)構(gòu)中構(gòu)建超材料，并將其加工成所需要的圖案。更重要的是，干法蝕刻工藝可以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)超材料的大批量生產(chǎn)?！?br />
UNIST的Jongwon Lee教授說：“我們是第一個(gè)利用垂直納米間隙誘導(dǎo)近場增強(qiáng)并解決近場暴露的研究。這項(xiàng)技術(shù)預(yù)計(jì)將有廣泛的應(yīng)用，特別是用于探測生物分子、有害物質(zhì)和氣體的紅外光譜傳感器?！?br />
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