浙江大学提出新型图像式传感机制
. 研究成果概述
2025年7月3日，浙江大学何赛灵研究团队在《Nature Communications》期刊在线发表了题为“Ultrasensitive Imaging-based Sensor Unlocked by Differential Guided-Mode Resonance”的研究论文。
该工作提出了基于“差分导模共振”（differential guided-mode resonance, dGMR）的新型图像式传感机制，通过在波导层引入十纳米级厚度调控，构造出对折射率变化极度敏感的差分导模共振传感结构（图1），实现了近百万像素每折射率单位（990000 pixels/RIU）的成像传感灵敏度，在中等Q因子（~100）共振峰的条件下，品质因数（FOM）达到104 RIU-1，有效缓解了传统高灵敏谐振型传感器件对高Q值的依赖。同时，该方案还支持免光刻的大面积制备，并配套开发了便携式检测原型装置，显示出在生化分析、蛋白检测和环境监测等应用中的巨大潜力。
图1 差分导模共振传感原理示意
2. 背景介绍
近年来，随着可视化传感理念的发展与图像处理技术的不断进步，成像型传感器在医学诊断、环境监测、安全检测等领域显示出独特的应用优势。相较于传统的光谱仪或单点检测式传感器，此类器件能够将被测物理或化学参数直接转化为可视图像，实现信息的直观呈现，便于快速读取，并降低了对专业操作的依赖。目前，主流成像型传感方法涵盖荧光成像、拉曼成像和折射率成像等。其中，折射率成像因其具有无需标记、适配范围广等优势，受到广泛关注。其基本原理为光学共振条件对周围折射率变化的高度敏感性，并在图像中呈现可观测的响应信号，实现对目标变化的直观识别。然而，现有的成像型折射率传感技术存在灵敏度较低、结构复杂、制备成本高等限制。即便引入梯度超表面等创新设计，其典型成像传感灵敏度也停留在约103 pixels/RIU的水平。
图像型传感器因其“可视化”的独特优势而备受瞩目，然而，在这一背景下，如何让其不仅“看得见”，更能“看得准”，使其同时具备更高的灵敏度、更宽的动态响应范围及更简化的制造工艺，始终是科研和产业界面临的一项重大挑战。
3. 文章亮点
基于上述挑战，何赛灵研究团队提出了一种基于差分导模共振（differential Guided-Mode Resonance, dGMR）机制的成像型折射率传感器方案，同时实现了百万级像素灵敏度、动态范围重构能力以及中等Q值下的高性能探测。
1）差分导模共振传感机制的概念
图2所示的理论分析表明，在基于棱镜耦合的导模共振结构中，谐振厚度t（即在厚度t处产生谐振）是折射率n的连续单调函数。厚度-折射率的这种关系意味着改变折射率将在具有特定厚度的介质层中激发相应的谐振模。在本工作中，团队通过厚度梯度的调制，巧妙的引入两个谐振条件差异较小的导模共振（GMR）结构，从而得到一个dGMR传感单元，并作为折射率变化的指示器（图2）。
图2 差分导模共振传感机制的仿真分析
2）基于厚度调制的像素化二值图像传感平台
如图3所示，为验证该厚度-折射率映射关系，团队结合微流芯片技术，制造了一个具有二维码状像素块的厚度调制波导层。其中，每个像素块的厚度通过灰度电子束光刻进行调控。外界折射率变化时，会激发’二维码’不同位置处的导模共振，通过监测二维码图案变化，可以有效地解码周围环境的折射率。这种二维码的变化也可以用于光学加密应用，折射率或浓度信息可以被编码到像素化的厚度调制波导层。当注入特定溶液时，才会出现二维码信息，通过扫描此二维码，可以解码加密的折射率和浓度信息，如图3e所示。通过像素化二值图像传感平台，有望实现折射率的盲读功能，不需要用标准溶液进行校准。
图3 基于厚度调制的像素化二值图像传感平台
3）连续纳米厚度梯度调控下的超高灵敏传感芯片平台
通过理论分析，团队发现dGMR单元的厚度差越小，器件灵敏度越高。基于此，通过使用无光刻方法（PECVD沉积中的误差），团队构建了具有纳米级厚度差的导模结构，显著提升了系统对折射率变化的响应能力（图4）。在保持中等Q因子（~100）的前提下，即可实现高达990000 pixel/RIU的灵敏度，远超同类型成像传感技术近三个数量级。此外，团队还系统分析了dGMR结构在不同入射角下的共振行为，发现其动态响应范围可通过入射角进行灵活调节，缓解了高灵敏度与宽动态范围的固有权衡限制，为多场景下的调节与兼容应用提供了结构基础。此外，团队还开发了便携式的检测装置原型，并初步验证了其在湿度探测应用中的实际可行性（图5）。
图4 连续纳米厚度梯度调控下的超高灵敏传感芯片平台
图5 厚度调制折射率传感的便携式设备设计
4. 总结与展望
该工作提出了基于差分导模共振的新型图像式传感机制，构造出对折射率变化极度敏感的差分导模共振传感结构，实现了近百万像素每折射率单位（990000 pixels/RIU）的成像传感灵敏度。同时，该方案可通过调节入射角灵活调控动态范围，从而缓解了灵敏度与动态范围之间的固有权衡关系。此外，该方案还支持免光刻的大面积制备，并配套开发了便携式检测原型装置，显示出在生化分析和环境监测等应用中的巨大潜力。未来，团队拟进一步结合高精度电子束光刻和3D打印等先进制造工艺，推动差分导模共振（dGMR）传感芯片向更高空间分辨率、更大规模阵列化方向发展。同时，也将探索与智能终端设备（如手机摄像头、可穿戴设备）的集成方案。此外，还可结合团队先前工作及技术，如相位探测、BIC超表面和先进光谱成像技术等（Nano Letters 2023, 23, 22, 10441–10448; Nature Nanotechnology 2024, 19, 1635–1643；Nano Letters 24, 36, 11156-11162, 2024.），进一步优化并提升器件的多维探测能力。
本文并列第一作者为浙江大学的刘振超博士和范厚鑫博士生，通讯作者为浙江大学何赛灵教授及郭庭彪副研究员。此外，谭沁博士、张智博士生、孙雨威博士生、Julian Evans副教授，以及浙江省恩泽医疗中心集团台州医院梁军波和张锐利教授也在其中作出了重要贡献。该研究主要受国家重点研发计划、浙江省尖兵领雁计划、宁波市科技计划项目、上海张江科学城专项发展基金、国家自然科学基金、中央高校基本科研业务费等项目的大力支持。
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