近日，针对传统超表面传感器普遍面临辐射损耗较大、光场局域能力有限及大面积制造成本较高等挑战，我室硕士赵宏森、本科生韩帅（共同第一作者）、邹秋顺副教授和沈祥研究员，在高性能光学传感领域取得新进展：通过环形偶极子（Toroidal Dipole，TD）主导的共振调控与两步纳米压印技术相结合，成功开发出一种可规模化制备的纳米四聚体超表面（NTA）传感器。该器件在810 nm附近实现了理论Q因子高达3124的窄线宽Fano共振，实验折射率灵敏度达到501 nm/RIU，并在无标记血红蛋白检测中获得354.7 nm·(μg/L)⁻¹的浓度响应灵敏度，同时具备良好的偏振稳定性与低成本制造潜力。相关成果以“Toroidal Dipole-Dominated High-Performance Optical Sensors via Nanoimprinted Tetramer Architectures”为题发表于国际光学期刊 Nanophotonics (IF=6.8)。

       链接: https://doi.org/10.1002/nap2.70336

一、研究背景

       高性能光学传感器在生物医学检测、环境监测及疾病诊断等领域具有广阔的应用前景。近年来，基于高Q共振的光学超表面凭借其窄线宽与强局域电磁场特性，在高灵敏传感领域受到广泛关注。然而，传统电磁共振模式往往难以同时兼顾辐射损耗抑制与待测物近场耦合，而电子束光刻等制造技术的高成本和低通量也限制了其实际应用。

       环形偶极子作为一种特殊的电磁多极子激发模式，具有独特的电流分布及辐射特性，可通过多极子调控降低辐射泄漏并增强局域光场。因此，如何将环形偶极子主导的高Q共振与低成本、可规模化的纳米制造技术相结合，成为推动高性能光学传感器实用化的重要研究方向。

二、研究内容

1. 环形偶极子主导的高Q共振：实现超窄线宽与局域光场增强

       团队设计了一种由硅衬底、金反射层、聚苯乙烯（PS）波导及周期性PS纳米柱四聚体阵列组成的复合超表面。仿真表明，器件在810 nm和940 nm附近分别支持D1和D2两个共振模式，其中D1模式表现出显著的Fano线型，理论Q因子达到3124，半高宽仅为0.26 nm。同时通过笛卡尔多极子分解发现，D1模式主要由环形偶极子贡献主导，传统电偶极子与磁偶极子的辐射受到抑制。此外，电磁场高度局域于纳米柱表面及柱间间隙区域，增强了光场与外部待测介质的相互作用，为高灵敏度传感奠定了基础。

图1：四聚体超表面设计、及其环形偶极子主导的高Q共振及局域电场特性

2. 结构参数协同优化：揭示高Q共振的几何调控规律

       本研究系统分析了纳米柱边长、半径、高度及柱间距等参数对共振特性的影响。结果表明，随着纳米柱横向尺寸增大，D1模式发生红移，同时Q因子逐渐降低；纳米柱高度则直接影响共振模式的形成与多极子耦合行为。当高度超过一定范围时，新的共振模式出现并影响原有高Q模式的稳定性。通过多参数优化，最终确定方形纳米柱边长为400 nm、圆形纳米柱半径为200 nm、高度为300 nm、柱间距为200 nm及周期为1.2 μm的优化结构，实现了较高的共振品质与较强的局域电磁场增强。

图2：四聚体超表面几何参数对共振波长、Q因子及半高宽的影响

3. 两步纳米压印制造：兼顾规模化制备与偏振稳定性

       为突破传统电子束光刻加工成本高、制造效率低等局限，本研究采用两步纳米压印工艺制备NTA传感器。首先利用电子束光刻及等离子体刻蚀制备硅母模板，随后复制形成可重复使用的PDMS子模板，并通过热纳米压印将四聚体结构转移至PS功能层。SEM表征验证了纳米结构的成功复制，为器件低成本、批量化制造提供了可行路径。此外，得益于四聚体结构的面内对称性，器件在0°–90°线偏振角度范围内表现出稳定的共振响应，实验测得的共振波长基本不随偏振角变化，有效降低了实际传感系统对入射光偏振校准的依赖。

图3：两步纳米压印制备流程、纳米结构SEM表征及偏振稳定性测试结果

4. 高灵敏无标记检测：折射率传感与生物分子检测双重验证

       基于环形偶极子共振产生的强局域电磁场，研究团队进一步验证了器件的折射率与生物分子检测性能。数值模拟获得568 nm/RIU的折射率灵敏度及2192 RIU⁻¹的品质优值。在不同浓度甘油水溶液的实验测试中，器件实现了501 nm/RIU的折射率灵敏度、42 RIU⁻¹的FOM。

图4：纳米四聚体超表面的理论与实验折射率传感性能

       进一步地，团队选取肌酐与血红蛋白作为检测对象，通过监测不同浓度溶液引起的共振波长变化，实现了无需荧光标记的光学检测。其中，肌酐和血红蛋白的浓度响应灵敏度分别达到127.5 nm·(μg/L)⁻¹和354.7 nm·(μg/L)⁻¹，验证了该传感平台对生物分子溶液浓度变化的敏感响应能力，展现了其在生物医学检测领域的应用潜力。

图5：基于纳米四聚体超表面的肌酐及血红蛋白无标记光学检测结果

三、总结与展望

       本研究将环形偶极子主导的高Q共振机制与两步纳米压印制造技术有机结合，实现了高灵敏光学传感性能、偏振稳定性与制造可扩展性的协同提升。其核心创新在于利用四聚体结构中的多极子调控有效抑制辐射损耗，并通过局域电磁场增强提高光与待测介质之间的相互作用，同时借助可重复使用的纳米压印模板降低器件制造成本。该成果不仅为高性能环形偶极子超表面传感器的设计提供了新的思路，也为其在生物医学检测、环境监测及集成化光学传感系统中的应用奠定了基础。未来，随着制备工艺优化、材料损耗降低及生物分子特异性识别技术的引入，有望进一步推动高灵敏纳米光子传感器