表面等离子体-声子高光谱成像：探索病毒蛋白检测新途径

《Science Advances》发表了一项关于中红外高光谱成像（MIR-HSI）技术的重要研究成果。研究团队通过将表面等离子体（plasmon）与表面声子（phonon）相结合，构建了一种新型双模式纳米天线系统，成功实现了对复杂生物分子的高灵敏度、高空间分辨率成像，尤其在病毒蛋白识别方面展现出良好潜力。

技术核心：双模式纳米天线与偏振调控

研究团队设计了一种不对称十字形双层纳米天线结构，上层为金制等离子体天线，下层为二氧化硅声子天线。通过调控入射光的偏振方向，可分别激发表面等离子体模式与表面声子模式。等离子体模式主要用于增强分子振动信号的探测，而声子模式则对分子的折射率变化具有响应，二者形成互补的信息维度。

突破难点：应对光谱重叠，提升识别精度

在新冠病毒等病原体的检测中，不同蛋白或变异体的红外吸收光谱常存在严重重叠，给精准识别带来挑战。该研究通过同时采集等离子体信号与声子信号，并结合多模态深度神经网络进行处理，有效区分了两种光谱高度重叠的新冠病毒刺突蛋白混合样本，分类准确率得到显著提升。

应用展示：从实验室样本到临床唾液检测

研究在多个层面验证了该系统的实用性：

1. 蛋白种类分类：对混合的刺突蛋白实现了93.4%的分类准确率。

2. 浓度预测与光谱重建：通过深度学习模型，可预测混合样本中各成分的浓度，并重建出其单独的光谱。

3. 单分子层高光谱成像：成功对固定在器件上的蛋白单分子层进行了空间分布成像。

4. 临床唾液样本分析：对新冠病毒感染者的唾液样本进行检测，观察到病毒蛋白信号随病程时间的变化趋势。

技术特点与意义

该方法的主要优势体现在：

l 无需标记：直接检测蛋白自身的红外特性，避免复杂标记流程。

l 灵敏度较高：纳米天线结构增强光与物质相互作用，有助于实现低浓度检测。

l 提供空间信息：结合高光谱成像，可获取目标分子的分布图像。

l 信息维度丰富：等离子体与声子双模式提供互补的光谱特征，有助于解析复杂样本。

展望

这项工作将表面声子极化激元成功引入中红外高光谱生物成像领域，通过纳米光子学与人工智能算法的结合，为病原体检测、蛋白质组学分析和药物筛选等提供了一种新的成像引导式分子筛查工具。未来，随着器件制备工艺的进一步优化，此类技术有望在生物医学研究与临床诊断中发挥积极作用。