2026年6月9日——中红外光谱技术能够通过不同波长下的分子“指纹”识别未知样品的分子组成，让科学家得以观测电磁波谱中可见光波段之外的信息。由此获得的成分数据对分析化学和生物样品非常有价值；然而，该技术通常局限于研究实验室中的大型仪器，从而限制了其可及性和应用范围。

威斯康星大学麦迪逊分校的研究人员通过在一种新型可调超表面（一种超薄光学材料，可利用红外光动态扫描化学物质的分子“指纹”）方面取得重大进展，向着生化传感器小型化迈出了关键一步。

在《光：科学与应用》期刊发表的一篇新论文中，威斯康星大学麦迪逊分校生物医学工程助理教授Filiz Yesilköy与一个国际研究团队详细介绍了用于中红外光谱分析的新型动态可调超表面。

Yesilkoy及其实验室成员此前已经开发出薄硅膜超表面——厚度约为人类头发的百分之一——他们可以通过几何图案化处理，使其在分析固相和气相样品时选择性过滤特定波长。然而，一旦团队制造出具有特定图案的超表面，就无法修改该组件以在不同波长下寻找其他分子——类似于一台永久锁定在单个频道的收音机。

直到来自伊斯坦布尔大学的访问学者Furkan Kuruoglu在威斯康星大学麦迪逊分校工作一年期间，带来了一种新方法。

Kuruoglu表示：“硅具有一些我们可以通过温度调节的特性。通过将超表面温度从室温逐渐升至高温范围，我们可以动态调控超表面的光学共振。”

与Kuruoglu同为论文第一作者的博士后研究员Samir Rosas将这一过程比作调谐模拟收音机，在电台之间扫描以锁定特定频道：“我们超表面设备中集成的微型加热器可在红外光谱范围内连续调谐超表面的光学共振。这样，我们就可以使用同一设备选择性地搜索不同的分子指纹。”

该团队的方法还无需让待分析样品与超表面及其可变温度直接接触。这对于处理温度敏感的生物样品尤其重要。

该团队在位于伊利诺伊州莱蒙特的阿贡国家实验室纳米材料中心制造了其超表面。Yesilkoy还邀请了长期合作者、澳大利亚国立大学的杰出教授Yuri Kivshar来解析该过程中的物理原理。威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程教授、Yesilkoy的频繁合作者Mikhail Kats则提供了中红外仪器的使用机会和专业知识。

展望未来，Yesilkoy设想未来可以开发出便携式传感器，用于监测医院中的空气传播病原体、检测有害气体、识别生物样本中的微塑料等污染物，或在传统实验室之外进行快速生化分析。

Yesilkoy表示：“本质上，目前中红外光谱分析是在实验室中使用非常大的仪器完成的。但如果它能变得更像一种紧凑型设备，可以放在包里带出去进行现场测试和分析，那该多好？”

Filiz Yesilkoy是Vilas和Grainger助理教授。Mikhail Kats是Antoine-Bascom教授和Jack St. Clair Kilby教授。

论文的其他作者包括威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程博士生Yihong Chen和Shenwei Yin，威斯康星大学麦迪逊分校电气与计算机工程研究助理Jin-Woo Cho；印度理工学院孟买分校研究员Brijesh Kumar；以及阿贡国家实验室科学家David A. Czaplewski。

该研究获得的资助来源包括：土耳其科学技术研究委员会（项目号：1059B192300015）；由Grainger基金会资助的威斯康星杰出研究生奖学金；海军研究办公室（资助号：N00014-20-1-2297）；澳大利亚研究委员会（资助号：DP210101292）；通过陆军研究办公室提供的国际技术中心印太项目（合同号：FA520923C0023）；国家科学基金会（资助号：2401616）以及国立卫生研究院（资助号：R21EB034411）。