组成图示
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传感器类型
表面等离子共振(SPR)生物传感器
检测对象
亲和素（avidin，溶液）、热灭活大肠杆菌 O157:H7（heat-killed Escherichia coli O157:H7，阳性对照溶液/右旋糖苷溶液稀释）
检测原理
传感器利用银纳米盘阵列在金属-介质界面产生局域表面等离子共振（LSPR）。当周围介质折射率改变时，共振峰波长发生移动。表面硫醇自组装单分子层（SAM）和生物素/抗体固定后，分析物结合增加界面质量与局部折射率，导致 LSPR 红移。在生物素-亲和素验证体系中，表面生物素与亲和素以 Ka=10^15 M^-1 高亲和结合；亲和素浓度升高使表面受体逐渐饱和，响应呈 S 形，实时结合在数分钟内快速达到最大。在大肠杆菌检测体系中，生物素标记抗 O157:H7 抗体捕获热灭活细菌，细菌结合引起约 4.5 nm 红移。该传感器为无标记检测，不使用酶或核酸放大，信号直接由反射/透射光谱读取共振峰波长变化。
检测灵敏度
线性范围: 1nM-100nM（avidin）；折射率灵敏度: 221-354 nm/RIU（40 nm 直径 221 nm/RIU，80 nm 直径 354 nm/RIU）；FOM: 2.33 与 2.81；Hill 拐点斜率: ~0.99；E. coli 当前检测浓度: ~10^7 cfu/mL
效应效果
传感器在生物素-亲和素验证中表现出明确响应：SAM、生物素和亲和素结合分别引起 15.9、7.6 和 19.55 nm 红移；亲和素浓度在 1–100 nM 范围呈 S 形响应，实时结合在数分钟内快速上升并在半小时内饱和，说明响应速度快。对热灭活 E. coli O157:H7 的初步检测中，细菌结合产生约 4.5 nm 红移，且二次孵育结果稳定可重复。作者指出当前 E. coli 检测浓度约 10^7 cfu/mL，与表面等离子免疫传感器直接检测限 10^6 cfu/mL 相当，但低于夹心法 10^3 cfu/mL；尚未进行优化、特异性、浓度依赖和 LOD 研究。该结构有望作为快速、低成本、无标记细菌检测平台，并可扩展为多通道芯片和便携设备。
传感器的构成
- 基底：蓝宝石（sapphire），透明光学基底，承载银纳米盘并支持反射/透射测量
- 换能纳米结构：银（Ag）纳米盘阵列，厚度 30 nm，周期 150 nm，直径 40–80 nm（实验选择 60 nm），产生 LSPR 共振
- 光刻图形层：聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA 950 A-2）抗蚀剂与 aqua-save 涂层，用于 EBL 定义纳米盘图形
- 自组装单分子层：11-氨基-1-十一烷硫醇（11-AUT）与 6-羟基-1-己烷硫醇（6-HHT）1:3 混合，提供氨基、降低非特异吸附并抑制银氧化
- 生物素化连接层：EZ_Link Sulfo-NHS-SS-Biotin（Pierce 21331）共价连接 11-AUT，固定生物素（biotin）用于捕获亲和素
- 识别元件（验证体系）：生物素（biotin）固定层，与亲和素（avidin）高亲和结合，用于验证 LSPR 传感机制
- 识别元件（细菌体系）：生物素标记抗大肠杆菌 O157:H7 抗体（biotin-labeled anti-E. coli O157:H7 antibody），固定于 SAM 表面用于捕获细菌
- 信号标记物：无标记（label-free），无荧光/酶标记，信号来自 LSPR 共振峰波长移动
中文摘要
本文报道一种基于局域表面等离子共振（LSPR）的无标记光学纳米生物传感器。传感器由电子束光刻（EBL）在蓝宝石基底上制备周期性银纳米盘阵列，并通过有限差分时间域（FDTD）模拟优化尺寸与周期。银纳米盘在金属-介质界面产生 LSPR，周围介质折射率变化引起共振波长移动。实验测得不同尺寸阵列的折射率灵敏度为 221–354 nm/RIU。首先利用生物素-亲和素高亲和体系验证传感机制，观察到自组装单分子层、生物素和亲和素结合分别引起 15.9、7.6 和 19.55 nm 红移；亲和素浓度在 1–100 nM 范围呈 S 形响应，实时结合在数分钟内快速饱和。随后将生物素标记抗大肠杆菌 O157:H7 抗体固定于传感器表面，对热灭活 E. coli O157:H7 阳性对照进行初步检测，获得约 4.5 nm 可重复红移，当前检测浓度约 10^7 cfu/mL。研究尚处早期，但表明该等离子体结构可发展为快速、低成本、无标记细菌检测平台。
英文摘要
We present a label-free, optical nano-biosensor based on the Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR) that is observed at the metal-dielectric interface of silver nano-disk arrays located periodically on a sapphire substrate by Electron-Beam Lithography (EBL). The nano-disk array was designed by finite-difference and time-domain (FDTD) algorithm-based simulations. Refractive index sensitivity was calculated experimentally as 221-354 nm/RIU for different sized arrays. The sensing mechanism was first tested with a biotin-avidin pair, and then a preliminary trial for sensing heat-killed Escherichia coli (E. coli) O157:H7 bacteria was done. Although the study is at an early stage, the results indicate that such a plasmonic structure can be applied to bio-sensing applications and then extended to the detection of specific bacteria species as a fast and low cost alternative.