在蛋白质组学、生物科技、医疗诊断、环境科学等领域中，生物传感是一项重要的研究内容。但是，具有高灵敏度的生物传感技术往往需要对目标分子进行标记，且传感器较昂贵、检测耗时。多孔硅、纳米多孔阳极氧化铝（NAA）等纳米多孔材料的发展为制备廉价、高灵敏、免标记的光学生物传感器提供了新的方向。洛维拉×依维尔基里大学电气和自动工程系Marsal课题组在《ACS Applied Materials Interfaces》上发表了题为“Gold-Coated Ordered Nanoporous Anodic Alumina Bilayers for Future Label-Free Interferometric Biosensors”的研究论文。作者制备了基于双层纳米多孔阳极氧化铝薄膜（NAAB）的生物传感器，运用NAA的光学干涉实现了对牛血清蛋白（BSA）的检测。
图1. （a）NAAB的SEM截面图。通过阳极氧化法制备NAAB，上层（layer 1）的孔径较大，下层（layer 2）的孔径较小，厚度分别约为1.9 µm和4.7 µm。（b）NAAB的SEM俯视图。NAAB由高度有序、均一的纳米孔道组成。（c）NAAB的剖视结构示意图。NAAB（layer 3）由2层NAA组成，厚度为上层和下层厚度的总和。从界面a、界面b和界面c反射的光发生干涉，从而形成干涉光谱。当生物分子进入NAAB的孔道中时，NAAB的折射率增大，有效光学厚度（折射率与厚度的乘积，EOT）也会增大。下层NAA的孔径较小，能限制生物分子进入，生物分子只能进入上层NAA孔道中。因而，这种双层结构能够排除一些小分子对检测的干扰。
图2. 上层NAA、下层NAA和NAAB的干涉光谱，在干涉光谱中可以观察到多个明显的干涉峰。干涉峰的振幅与各个反射界面的反射光强度有关，反射界面两侧的折射率差异越大，反射光强度越强。因为NAAB其他反射界面两侧介质折射率的差异较小，相应的反射光强度较低，所以其干涉光谱中干涉峰的振幅就较小，即干涉现象不明显。
图3. 对干涉光谱进行傅里叶变换（FFT）可以直接得到薄膜的EOT。（a）NAAB的FFT谱图。图中两个峰分别对应于NAAB中layer 2和layer 3的光学干涉，峰位置对应的数值就是相应薄膜的EOT值。为了使NAAB的光学干涉更明显，在NAAB上溅射了10 nm厚的金层得到Au-NAAB。因为金的折射率/反射率较大，所以溅射金后，NAAB的空气/阳极氧化铝界面的反射率差异增大，干涉现象变得更加明显。如图b所示，在Au-NAAB的FFT谱图中可以清晰地观察到3个峰，且峰的强度更大。图4. 在溶液中加入BSA后，由于静电相互作用，BSA会吸附到阳极氧化铝的孔道中，使其EOT增大。从图中可知，在溶液中加入BSA后，Au-NAAB layer 1和layer 3的EOT都明显增大，而layer 2的EOT则基本不变，这是因为BSA无法进入下层阳极氧化铝的孔道中。吸附BSA后，在FFT谱图中Au-NAAB的干涉峰的强度减弱，这是因为BSA吸附到上层阳极氧化铝的孔道中后，Au-NAAB反射界面两侧介质折射率的差异变小，相应的反射率也随之降低。作者制备了金修饰的双层纳米多孔阳极氧化铝薄膜，其中上层NAA的孔径较大，下层NAA的孔径较小，这种结构可以有效地减小一些小分子对生物分子检测的干扰。在NAAB表面溅射一层10 nm厚的金层，可以使NAAB的干涉现象更明显，从而提高传感器的灵敏度。这种免标记的光学传感器有望用于食品分析、环境监测等领域。
Gold-Coated Ordered Nanoporous Anodic Alumina Bilayers for Future Label-Free Interferometric BiosensorsACS Appl. Mater. Interfaces 2013, 5, 8093−8098
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/am4020814
撰写：王亚锋
审核：杨倩、胡诗帆
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