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2019年04月03日 | 光学传感器芯片：将在个性化医疗中起到重要作用
2019-04-03 来源：IntelligentThings
背景
超材料（metamaterial），又称超颖材料，通常是指通过人工设计结构实现，具有天然材料无法具备的超常物理特性的复合材料。举例来说，超材料对光波、声波、电磁波等具有强大的操控能力，能实现普通材料无法实现的奇特功能。
由超材料制成的无需半导体的微电子设备（图片来源：加州大学圣地亚哥分校应用电磁学小组）
超表面（metasurface），是由具有特殊电磁属性的人工原子按照一定的排列方式组成的二维平面结构，可实现对入射光的振幅、相位、偏振等灵活的调控，具有强大的光场操控能力。相比于传统三维超材料，超表面具有低损耗、易集成、制备工艺简单等优势，有利于纳米光学器件的集成化和小型化，具有更广阔的应用前景。
由超表面制成的隐身斗篷（图片来源：伯克利实验室）
创新
今天，让我们一起来关注一项基于超表面的创新研究。
不久的将来，我们每个人都可能拥有一个小到足以放在床头边的小桌上或者口袋中的简单设备。该设备使我们能获知自己的健康状况，识别甚至追踪血液或尿液中的不良生物标记物，充当疾病早期预警系统，并有望成为一种个性化的医疗手段。
近日，瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）生物纳米光子系统（BIOS）实验室的研究人员们开发出一种强大的工具，有望推进这项技术革新。它由一个小型超薄光学芯片组成，当外加一个标准CMOS摄像头进行图像分析时，可在样本中逐个数算生物分子并判断它们的位置。他们的研究已经发表在《自然光子学（Nature Photonics）》期刊上。
（图片来源：EPFL）
技术
这项开创性技术基于超表面（光子学领域的后起之秀）。超表面是由几百万个以特殊方式排列的纳米级元件覆盖的人造材料薄片。在特定的频率下，这些元件能将光线引导到极小的空间中，创造出超灵敏的光学‘热点’。
当光线照射到超表面上并击中其中一个热点上的某个分子时，分子会被立即检测出来。实际上，分子是通过改变照射光线的波长，暴露了自己。
通过采用超表面上不同颜色的光线，并每次通过CMOS摄像头拍照，研究人员们可以计算出样本中分子的数量，并精准地学习到传感器芯片上正在发生什么。论文第一作者 Filiz Yesilkoy 表示：“然后，我们采用智能数据科学工具分析通过这个过程获取到的几百万个CMOS像素点，并判断趋势。我们已经展示了我们能对热点上单独的生物分子，甚至是只有单个原子厚度的单层石墨烯薄片，进行检测和成像。”
采用全电介质超表面、基于高光谱成像的生物分子检测的原理（图片来源：参考资料【2】）
采用电介质超表面传感器以及基于图像数据处理的生物传感（图片来源：参考资料【2】）
研究人员们通过进一步的研究，开发出了他们系统的第二个版本。在第二个版本中，超表面能被设定在不同区域以不同波长产生共振。论文合著者之一的 Eduardo R. Arvelo 表示：“这项技术更简单，然而它定位分子的精准度要低一些。”
价值
BIOS 实验室负责人、项目领头人 Hatice Altug 看到了光学领域的巨大潜力。他说：“光线拥有许多特性，例如强度、相位和偏振，并能穿越空间。这意味着，光学传感器在应对未来挑战，特别是个性化医疗方面，扮演着重要角色。”
参考资料
【1】https://actu.epfl.ch/news/harnessing-photonics-for-at-home-disease-detection/
【2】Filiz Yesilkoy, Eduardo R. Arvelo, Yasaman Jahani, Mingkai Liu, Andreas Tittl, Volkan Cevher, Yuri Kivshar, Hatice Altug. Ultrasensitive hyperspectral imaging and biodetection enabled by dielectric metasurfaces. Nature Photonics, 2019; DOI: 10.1038/s41566-019-0394-6
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