光學(xué)傳感器芯片將在個(gè)性化醫(yī)療中起到重要作用

（文章來源：騰訊新聞）

超材料（metamaterial），又稱超穎材料，通常是指通過人工設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，具有天然材料無法具備的超常物理特性的復(fù)合材料。舉例來說，超材料對(duì)光波、聲波、電磁波等具有強(qiáng)大的操控能力，能實(shí)現(xiàn)普通材料無法實(shí)現(xiàn)的奇特功能。

超表面（metasurface），是由具有特殊電磁屬性的人工原子按照一定的排列方式組成的二維平面結(jié)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)入射光的振幅、相位、偏振等靈活的調(diào)控，具有強(qiáng)大的光場(chǎng)操控能力。相比于傳統(tǒng)三維超材料，超表面具有低損耗、易集成、制備工藝簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，有利于納米光學(xué)器件的集成化和小型化，具有更廣闊的應(yīng)用前景。

不久的將來，我們每個(gè)人都可能擁有一個(gè)小到足以放在床頭邊的小桌上或者口袋中的簡(jiǎn)單設(shè)備。該設(shè)備使我們能獲知自己的健康狀況，識(shí)別甚至追蹤血液或尿液中的不良生物標(biāo)記物，充當(dāng)疾病早期預(yù)警系統(tǒng)，并有望成為一種個(gè)性化的醫(yī)療手段。

近日，瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）生物納米光子系統(tǒng)（BIOS）實(shí)驗(yàn)室的研究人員們開發(fā)出一種強(qiáng)大的工具，有望推進(jìn)這項(xiàng)技術(shù)革新。它由一個(gè)小型超薄光學(xué)芯片組成，當(dāng)外加一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)CMOS攝像頭進(jìn)行圖像分析時(shí)，可在樣本中逐個(gè)數(shù)算生物分子并判斷它們的位置。他們的研究已經(jīng)發(fā)表在《自然光子學(xué)（Nature Photonics）》期刊上。

這項(xiàng)開創(chuàng)性技術(shù)基于超表面（光子學(xué)領(lǐng)域的后起之秀）。超表面是由幾百萬個(gè)以特殊方式排列的納米級(jí)元件覆蓋的人造材料薄片。在特定的頻率下，這些元件能將光線引導(dǎo)到極小的空間中，創(chuàng)造出超靈敏的光學(xué)‘熱點(diǎn)’。當(dāng)光線照射到超表面上并擊中其中一個(gè)熱點(diǎn)上的某個(gè)分子時(shí)，分子會(huì)被立即檢測(cè)出來。實(shí)際上，分子是通過改變照射光線的波長(zhǎng)，暴露了自己。

通過采用超表面上不同顏色的光線，并每次通過CMOS攝像頭拍照，研究人員們可以計(jì)算出樣本中分子的數(shù)量，并精準(zhǔn)地學(xué)習(xí)到傳感器芯片上正在發(fā)生什么。論文第一作者 Filiz Yesilkoy 表示：“然后，我們采用智能數(shù)據(jù)科學(xué)工具分析通過這個(gè)過程獲取到的幾百萬個(gè)CMOS像素點(diǎn)，并判斷趨勢(shì)。我們已經(jīng)展示了我們能對(duì)熱點(diǎn)上單獨(dú)的生物分子，甚至是只有單個(gè)原子厚度的單層石墨烯薄片，進(jìn)行檢測(cè)和成像?！?/p>

研究人員們通過進(jìn)一步的研究，開發(fā)出了他們系統(tǒng)的第二個(gè)版本。在第二個(gè)版本中，超表面能被設(shè)定在不同區(qū)域以不同波長(zhǎng)產(chǎn)生共振。論文合著者之一的 Eduardo R. Arvelo 表示：“這項(xiàng)技術(shù)更簡(jiǎn)單，然而它定位分子的精準(zhǔn)度要低一些?！?/p>

BIOS 實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、項(xiàng)目領(lǐng)頭人 Hatice Altug 看到了光學(xué)領(lǐng)域的巨大潛力。他說：“光線擁有許多特性，例如強(qiáng)度、相位和偏振，并能穿越空間。這意味著，光學(xué)傳感器在應(yīng)對(duì)未來挑戰(zhàn)，特別是個(gè)性化醫(yī)療方面，扮演著重要角色?！?br /> ? ? ?