《光学学报（网络版）》特邀综述：连续域束缚态（BICs）超构光子器件，有望突破传统生物传感在小型化、特异性和灵敏度等方面的局限。

链接：《光学学报（网络版）》2025年第06期封面文章 | 饶晓峰, 何涛, 李程峰, 冯超, 王占山, 施宇智, 程鑫彬. 基于连续域束缚态的超构光子学生物传感器研究进展[J]. 光学学报（网络版）, 2025, 2(06): 0616001.

1、背景介绍

生物传感器在医疗诊断、食品安全和环境监测等领域发挥着重要作用。目前，传统的生物传感器主要依赖酶、荧光或化学发光标签来检测目标分析物，存在着平台体积大、耗时长等问题。近年来，超构光子器件可以通过分析远场反射、透射或吸收光谱来表征分析物特征，为解决传统生物传感技术的局限性包括灵敏度、特异选择性和小型化方面提供了新的可能性。

传统的超构光子生物传感器件主要基于局域表面等离子体共振、Mie散射等，难以兼顾高灵敏度以及高品质因数（Figure of Merit, FOM）。最近新的物理机制——连续域束缚态（Bound states in the continuums, BICs），作为前沿热点，为高品质生物传感器的设计提供了新的机会。

同济大学王占山、程鑫彬团队施宇智教授受邀系统综述了连续域束缚态（BICs）超构光子器件在生物传感领域的研究进展：首先介绍了BICs的基本概念；随后从不同平台的BICs超构光子器件入手，结合它们各自的优势，系统梳理了金属BICs、全介质BICs、金属-介质混合BICs以及微流体BICs在折射率传感、表面增强红外吸收光谱和手性传感等生物传感领域的应用；最后讨论了基于BICs的生物传感器件当前存在的挑战及潜在解决方案。

2、BICs基本概念

如果一个波的频率位于连续谱中，它就会发生泄露并辐射到无穷远处。因此，无论是金属结构与电磁波耦合产生的等离激元共振，还是介质结构与电磁波耦合产生的Mie共振，这些状态都被称为泄露模式，即连续域中的共振态。辐射损耗的存在会限制Q值的提升。然而，在连续谱中还存在一种特殊的束缚态，它与辐射波完全解耦，拥有无穷大的Q值，这种状态被称为BICs。

BICs根据其解耦方式的不同，可以分为两大类。一类是由辐射模式对称性失配导致的对称保护BICs，另一类是由有限辐射通道之间的干涉相消导致的偶然BICs。前者通常可在光锥上方的高对称点处观察到，后者则可在非零波矢量的位置中观察到，如图1（a）所示。此外，多极子理论也是用来解释这两种BICs产生的常用手段，如图1（b）所示。在实际应用中，激发和观测不能向外辐射的BICs是极具挑战性的，因此通常通过打破结构对称性使BICs转变为一种称为准BICs（QBICs）的泄露模式，QBICs模式仍具有极强的光场束缚能力。2018年，Yuri Kivshar等人研究发现，准BICs的品质因子Q与结构C₂对称性的破坏程度α^-2之间呈正比关系，如图1（c）所示，这使得我们可以在BICs附近任意定制QBICs共振的传输线宽，为增强光与物质的相互作用铺平了道路。

图1 BICs的基本概念和分类。（a）对称保护BICs和偶然BICs的分类依据；（b）BICs的多极子解释；（c）对称保护BICs中，品质因子Q与不对称系数的关系

3、BICs超构光子生物传感器

BICs因其独特的光学特性，在多种生物传感应用中表现出色，例如折射率传感、表面增强红外吸收光谱和手性传感等，有望在传统生物传感器的小型化、特异性和灵敏度方面取得突破。产生BICs模式的不同平台例如金属BICs、全介质BICs、金属-介质混合BICs以及微流体BICs，在各种生物传感领域各有优势。

3.1金属BICs

金属微纳结构因其局域表面等离子体共振而被广泛应用于生物传感器。它们通常具有极高的折射率灵敏度和极低的检测浓度，但金属材料的吸收会不可避免地导致Q值降低，引发光热效应。目前，BICs被认为是解决这一挑战的潜在方案，如图2（a）所示，可以在保持金属基生物传感器高灵敏度的同时，显著提升器件的Q以及FOM。

3.2全介质BICs

全介质平台是解决金属平台吸收损耗、光热效应以及与CMOS（互补金属氧化物半导体）前端工艺的兼容性差等问题的重要手段。与金属纳米谐振器的纯电谐振不同，介质纳米谐振器可以同时产生电谐振和磁谐振，因此它们通常具有较大的电场和磁场近场增强以及较高的Q值。进一步，将BICs引入全介质平台，可以使得全介质BICs能够达到与金属BICs相媲美的折射率检测能力，但具有更高的光谱分辨率和FOM值，这在物质分析和医学诊断等相关领域具有重要意义，如图2（b）所示。

3.3金属-介质混合BICs

金属-介质谐振器由金属和介质微纳结构共同组成，其中介质微纳结构在增强结构中的谐振方面起着重要作用。它能最大限度地发挥金属和介质之间的协同作用，从而实现更强、更复杂的场调控能力。金属-介质谐振器通常兼具金属结构的高灵敏度和介质结构的高FOM，这使其成为一种新型的生物传感平台，如图2（c）所示。

3.4微流体BICs

目前BICs生物传感器在设计上已经取得了重大进展，但如何将分析物高效传输到传感器表面仍然是制约其实用化的一大挑战。微流体BICs器件将微流控技术与BICs光子结构集成在一起，形成了一种新的生物传感平台，可以在液体环境中实现高通量、实时和定量的生物分析，如图2（d）所示。进一步地借助AI算法增强系统处理复杂分析物的能力，可以实现高灵敏度、无标记、实时且准确的生物化学传感。

图2 不同平台的BICs超构光子学生物传感器。（a）金属BICs；（b）全介质BICs；（c）金属-介质混合BICs；（d）微流体BICs

4、总结与展望

基于BICs的生物传感器件已经在突破生物检测和成分分析极限等方面展现出巨大潜力，但其所面临的挑战仍不容忽视。比如在实验中制备高Q的超构光子平台非常困难；当前基于BICs的生物传感器大多仍停留在对理想环境中单个标志物的检测。然而，在真正的临床医学样本中，体液成分复杂，被测样品中的分子可能非特异性吸附到传感器表面，引起潜在信号发生剧烈变化，从而影响检测的灵敏度和准确性。

针对制备缺陷和制备误差问题，可以通过在动量空间中合并多个BICs来抑制所有共振附近的辐射损耗，从而增强结构对制备缺陷和环境变化的鲁棒性；利用相位变化而非谐振波长的偏移作为传感的探测量，也可以显著增强灵敏度，这是一种潜在的手段。

针对复杂样本中的非特异性吸附问题，可以通过将超构光子生物传感器与先进的表面功能图层相结合，最大程度地抑制非靶分子的非特异性吸附。

除此之外，将其与微流体平台相结合，并利用人工智能分析数据，也能够更加高效、准确地还原出我们所需的信息。

因此BICs超构光子平台有望推动便携且高灵敏生物传感器进步，为环境监测、疾病治疗等领域提供更有力的支持。

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