近日，针对器件长期受困于“严苛的微纳制备容差”与“高灵敏度及按需调控”难以兼得的瓶颈，我室徐昂博士研究生（第一作者）、邹秋顺副教授和沈祥研究员，联合宁波大学附属第一医院与中山大学，提出并实验验证了一种非对称三明治结构的混合等离激元-光子光栅（HPPG）传感器。并通过调控强非局域一阶伍德异常（WA）与法布里-珀罗（FP）腔共振的协同耦合，在实现多维参数宽松制备容差与灵敏度按需定制，并成功用于血红蛋白和肌酐的无标记快速检测。相关成果以“Realization of relaxed fabrication tolerances and on-demand sensitivity in hybrid plasmonic-photonic sensors”为题发表于Sensors and Actuators B: Chemical，（中科院一区，IF=8.3）。

       链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2026.141081

一、研究背景

       传统临床检测技术（如PCR、标记免疫测定）设备笨重、流程繁琐，难以满足基层现场快速检测（POC）需求。无标记微纳光学传感器虽具小型化优势，却面临“制备容差”与“传感性能”相互制约的悖论：传统高灵敏度器件依赖强局域场增强，对纳米级加工误差极度敏感；现有鲁棒性光子结构则仅具极窄的单一参数容差（<1%~10%）。非局域伍德异常（WA）模式的波长虽严格由周期决定，但引入局域腔辅助调控辐射阻尼时，极易因过度耦合丧失非局域特性，导致波长再次对局部结构偏差敏感。如何在实现临界耦合的同时保持WA模式由周期主导的鲁棒特性，是走向实用化的关键。

二、研究内容

1. 结构设计与跨波段“按需”灵敏度扩展

       空间分离与临界耦合：局域FP模式限制在PMMA脊与纳米槽内，非局域WA模式沿顶层界面扩展。空间场分离既保留了非局域特性，又通过近场重叠实现了临界耦合，仿真Q值达727，谐振深度超85%。跨波段“按需”定制：一阶衍射下体折射率灵敏度严格等于结构周期与谐振波长（S= λ=p），可按需扩展至650~1550 nm等可见至近红外任意波段。

图1：基于HPPG的宽松制备容差与按需灵敏度生物传感器设计、场分布及跨波段扩展特性

2. 物理机制阐释：近场保持与稳定的多极子杂化比例

       打破灵敏度与Q值制约：容差窗口内（w<420 nm），归一化失谐波长 Δ 趋近于0（< 1×10⁻³），扩展的非局域场大幅降低金属损耗；随w减小，灵敏度锁定在~770 nm/RIU，Q值与FOM同步攀升且数值相等，克服了灵敏度与Q值相互牺牲的传统制约。恒定多极散射比（α≈3）：多极子分解表明，容差窗口及不同波段下近场形态高度保持，主导模式环偶极子（TD）与电四极子（EQ）的散射功率比始终稳定在 α ≈ 3，构成了结构鲁棒性的物理判据。

图2：实现宽松制备容差与按需灵敏度的物理机制：近场演化、品质因数协同优化及多极子分解分析

3. 理论性能与实验验证：多参数容差与高重现性折射率传感

       在固定周期（p=770 nm）下，WA-FP模式展现出优异的平带特征：PMMA旋涂高度容差达Δh=40 nm（360~400 nm，约10%误差），EBL光刻宽度容差达 Δw=60 nm（360~420 nm，高达15%偏差），顶层金膜厚度容差达Δt=50nm（20~70 nm）。在容差窗口及多参数联合偏差下，谐振波长与灵敏度均稳固锁定在770 nm与770 nm/RIU，鲁棒性显著优于Q-BIC模式。

       其中，器件多点测试的实测折射率灵敏度达772±5.9 nm/RIU（P<0.0001），实验 FOM≈30 RIU⁻¹。针对不同宽度（360~420 nm）、高度（360~400 nm）及金膜厚度（60, 70 nm）的多批次器件测试表明，WA-FP谐振谷始终锚定在770 nm附近，不同尺寸器件的平均灵敏度稳定在772±10 nm/RIU，证实加工误差不影响传感可靠性。

图3：HPPG多维制备容差与按需灵敏度特性的实验验证

4. 功能验证：临床生物标志物的快速无标记检测

       高灵敏度与线性度：在0~20 μg/μL血红蛋白和0~70 μg/μL 肌酐浓度范围内，浓度灵敏度分别达283±1 (nm·nL)/μg和140±1 (nm·nL)/μg（R² = 0.999），检测限（LOD）分别为0.404 μg/μL 和0.814 μg/μL。毫秒级响应与低噪声：系统基线噪声仅为σ = 0.038 nm，体折射率检测限达1.48×10⁻⁴ RIU，单次光学读出仅需约 15 ms，且连续金膜表面兼容硫醇自组装单分子层（SAM）靶向修饰。

图4：基于HPPG平台的血红蛋白与肌酐无标记生物传感应用验证

三、总结与展望

       本研究提出的HPPG传感器，在单一周期微纳结构中同时实现了多参数超宽制备容差（最高60 nm）与周期主导的“按需”灵敏度调控（S=λ =p）。通过非局域WA模式与局域FP腔的空间场分离与协同耦合，在维持TD与EQ散射比恒定（α≈3）的近场下，解耦了灵敏度与局部尺寸偏差的强关联。未来结合纳米压印（NIL）、激光直写等高通量制造工艺及表面生物功能化修饰，有望推动高性能、低成本无标记光子传感器向临床即时诊断（POCT）与环境监测等产业化应用跨越。