表面等離子體-聲子高光譜成像：探索病毒蛋白檢測新途徑

《Science Advances》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于中紅外高光譜成像（MIR-HSI）技術(shù)的重要研究成果。研究團(tuán)隊(duì)通過將表面等離子體（plasmon）與表面聲子（phonon）相結(jié)合，構(gòu)建了一種新型雙模式納米天線系統(tǒng)，成功實(shí)現(xiàn)了對(duì)復(fù)雜生物分子的高靈敏度、高空間分辨率成像，尤其在病毒蛋白識(shí)別方面展現(xiàn)出良好潛力。

技術(shù)核心：雙模式納米天線與偏振調(diào)控

研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種不對(duì)稱十字形雙層納米天線結(jié)構(gòu)，上層為金制等離子體天線，下層為二氧化硅聲子天線。通過調(diào)控入射光的偏振方向，可分別激發(fā)表面等離子體模式與表面聲子模式。等離子體模式主要用于增強(qiáng)分子振動(dòng)信號(hào)的探測，而聲子模式則對(duì)分子的折射率變化具有響應(yīng)，二者形成互補(bǔ)的信息維度。

突破難點(diǎn)：應(yīng)對(duì)光譜重疊，提升識(shí)別精度

在新冠病毒等病原體的檢測中，不同蛋白或變異體的紅外吸收光譜常存在嚴(yán)重重疊，給精準(zhǔn)識(shí)別帶來挑戰(zhàn)。該研究通過同時(shí)采集等離子體信號(hào)與聲子信號(hào)，并結(jié)合多模態(tài)深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行處理，有效區(qū)分了兩種光譜高度重疊的新冠病毒刺突蛋白混合樣本，分類準(zhǔn)確率得到顯著提升。

應(yīng)用展示：從實(shí)驗(yàn)室樣本到臨床唾液檢測

研究在多個(gè)層面驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)用性：

1. 蛋白種類分類：對(duì)混合的刺突蛋白實(shí)現(xiàn)了93.4%的分類準(zhǔn)確率。

2. 濃度預(yù)測與光譜重建：通過深度學(xué)習(xí)模型，可預(yù)測混合樣本中各成分的濃度，并重建出其單獨(dú)的光譜。

3. 單分子層高光譜成像：成功對(duì)固定在器件上的蛋白單分子層進(jìn)行了空間分布成像。

4. 臨床唾液樣本分析：對(duì)新冠病毒感染者的唾液樣本進(jìn)行檢測，觀察到病毒蛋白信號(hào)隨病程時(shí)間的變化趨勢。

技術(shù)特點(diǎn)與意義

該方法的主要優(yōu)勢體現(xiàn)在：

l 無需標(biāo)記：直接檢測蛋白自身的紅外特性，避免復(fù)雜標(biāo)記流程。

l 靈敏度較高：納米天線結(jié)構(gòu)增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，有助于實(shí)現(xiàn)低濃度檢測。

l 提供空間信息：結(jié)合高光譜成像，可獲取目標(biāo)分子的分布圖像。

l 信息維度豐富：等離子體與聲子雙模式提供互補(bǔ)的光譜特征，有助于解析復(fù)雜樣本。

展望

這項(xiàng)工作將表面聲子極化激元成功引入中紅外高光譜生物成像領(lǐng)域，通過納米光子學(xué)與人工智能算法的結(jié)合，為病原體檢測、蛋白質(zhì)組學(xué)分析和藥物篩選等提供了一種新的成像引導(dǎo)式分子篩查工具。未來，隨著器件制備工藝的進(jìn)一步優(yōu)化，此類技術(shù)有望在生物醫(yī)學(xué)研究與臨床診斷中發(fā)揮積極作用。