基于闭合双极电化学的可调谐光学超材料传感器

摘要： 得益于制造空间周期性亚波长结构以调控可见光波段辐射行为的纳米级加工技术的普及，光学超材料正受到日益广泛的关注。本研究开发并表征了一种基于大面积低成本纳米孔超材料光学响应函数电化学调谐的化学传感方法（工作波长覆盖可见光至近红外波段）。通过纳米球光刻技术在金膜上制备有序亚波长孔阵列，其孔间距由制备过程中聚苯乙烯纳米球的尺寸决定。后续可通过双电极闭合双极电化学（CBE）电池体系，以纳米孔薄膜作为工作电极电沉积异质金属银，从而在保持原始图案决定的孔间距不变前提下，实现透射光谱的可调谐偏移——该过程会改变孔径尺寸、薄膜厚度及组分构成。恒电流条件下获取的光学透射谱可表示为初始谱与最终（饱和）谱的线性组合，所得响应函数相对于沉积电荷量（或金属量）呈现S型曲线特征。基于该架构，我们进一步构建了基于CBE的双电池分析物-报告器装置，实现了模型分析物的光学库仑滴定，从而拓展了CBE基传感器的功能。增大分析物电池的暴露电极面积可提升器件响应，而调节电路电阻能平衡灵敏度与动态范围的关系。相比CBE电致变色报告器电池，这类可调谐纳米孔超材料在μM至nM浓度范围内展现出更高灵敏度，为CBE基化学传感器的发展及低成本即时诊断设备应用开辟了新途径。