一个由英国曼彻斯特大学和法国艾克斯—马赛大学人员组成的研究小组，开发出一种新型的等离子超介质探测设备，利用了奇点光学中超常相位拓扑的性质，能通过简单的光学系统就看到单个分子，并在几分钟内分析出它的成分，药物检测精确度提高了3个数量级，可用于人体药检、机场安检、爆炸物探测等。相关论文发表在最近出版的《自然.材料》上。
新研发设备可让药检达到单分子水平
“该设备的总体设想是要通过一种简单的光学系统，如显微镜，来看到单个分子，真实地看到它们。”领导该研究的萨沙•格里乔科说。他提出了一种新的传感设备：一种具有黑暗拓扑性的人造材料。这种设备极其灵敏，而其灵敏性是来自它的光相位拓扑性能，即使附着一个小分子也能引起反应。
奇点相位的超常性质是研究许多重要物理现象的关键，通过控制光相位，人们能造出“扭曲的”光子流，如光涡流结；打断相位使之分离，就会产生奇点光场。而等离子超介质经过恰当设计就会显出一种拓扑性，从而在其附近产生突然的相位改变。利用这一性质能造出一种等离子共振传感器，从根本上提高探测的灵敏度。
为了测试该设备，研究人员给一种等离子超介质涂了一层石墨烯，然后将氢气导入石墨烯上面，利用可逆的石墨烯氢化反应来测试其灵敏度。“石墨烯是用于检测分子灵敏性的最佳材料之一，可以很容易地把氢分子以可控的方式附着在上面。”格里乔科说，他们证明了该设备能探测到单个生物分子水平。通过验血可以检测人体内的毒素或药物，几分钟就能出结果，精确度比现有设备高出3个数量级。
研究人员指出，这一概念性论证结果提供了一种更简单的、可升级的单分子免标记生物感测技术，使药物检测更加快捷精确，可用于检查运动员是否服用了违禁药物以及机场或机密要地的安检，预防恐怖分子藏匿爆炸物、不法商贩走私药物等，还可能探测人们感染了哪种病毒。
格里乔科说，奇点光学是一门新兴学科，研究的是光在超常相位的性质，他们的成果显示了这一学科在实际应用方面的巨大价值。这只是个开始，它可能对药物与病毒探测、安全检查等产生深远影响。
总编辑圈点：
英、法科学家开发的新技术让仪器也具备了这样的灵敏度——增加一个分子，仪器就能察觉出“凹凸”。超级材料石墨烯，相当于一张平滑的床垫，为检测提供了纯净的光学背景，使微小形状的干扰也变得很显著。依靠新开发的这种精密探测手段，今后的医学检测可能不必借助生化试剂，直接“看”到病毒的模样，这将大大方便医生的快速诊断。
Singular phase nano-optics in plasmonic metamaterials for label-free single-molecule detection
V. G. Kravets, F. Schedin, R. Jalil, L. Britnell, R. V. Gorbachev, D. Ansell, B. Thackray, K. S. Novoselov, A. K. Geim, A. V. Kabashin & A. N. Grigorenko
The non-trivial behaviour of phase is crucial for many important physical phenomena, such as, for example, the Aharonov–Bohm effect1 and the Berry phase2. By manipulating the phase of light one can create ’twisted’ photons3, 4, vortex knots5 and dislocations6 which has led to the emergence of the field of singular optics relying on abrupt phase changes7. Here we demonstrate the feasibility of singular visible-light nano-optics which exploits the benefits of both plasmonic field enhancement and the peculiarities of the phase of light. We show that properly designed plasmonic metamaterials exhibit topologically protected zero reflection yielding to sharp phase changes nearby, which can be employed to radically improve the sensitivity of detectors based on plasmon resonances. By using reversible hydrogenation of graphene8 and binding of streptavidin–biotin9, we demonstrate an areal mass sensitivity at a level of fg mm−2 and detection of individual biomolecules, respectively. Our proof-of-concept results offer a route towards simple and scalable single-molecule label-free biosensing technologies.
文献链接：Singular phase nano-optics in plasmonic metamaterials for label-free single-molecule detection
