光学传感器可以通过测量和处理样品产生的光信号来定量分析化学和生物样品。基于红外吸收光谱的光学传感器可以实时实现高灵敏度和选择性，因此在环境传感、医疗诊断、工业过程控制和国土安全等各种应用领域发挥着至关重要的作用。

在《光：科学与应用》杂志发表的一篇新论文中，纽约州立大学布法罗分校电气工程系的 Peter Q. Liu 博士领导的科学家团队展示了一种新型高性能光学传感器，该传感器可利用液体的表面张力将分析物浓缩并捕获在器件结构最敏感的位置，从而显著提高灵敏度性能。该传感器基于金属-绝缘体-金属夹层结构，该结构还具有纳米级沟槽，当溶液在传感器表面逐渐蒸发时，该传感器可以被动地将分析物溶液保留并浓缩在这些微小的沟槽中，并最终将沉淀的分析物分子捕获在这些沟槽内。由于这些沟槽中的光强度也通过设计得到了极大增强，光与被捕获的分析物分子之间的相互作用也大大增强，即使分析物的质量为皮克级，也能产生易于检测的光信号（即光光谱的变化）。

一般来说，不同种类的分子吸收不同频率的红外光，因此可以通过分析光谱中观察到的吸收线来识别和量化检测到的分子。尽管这种分子吸收本质上很弱，但光学可以通过在设备表面采用合适的纳米结构将光限制在非常小的体积（所谓的热点）中，从而显着增强分子吸收，从而产生非常大的。这样，热点中的每个分子在给定的时间间隔内可以比热点外的分子吸收更多的光，如果热点中有足够的分子，那么就可以高可靠性地测量非常少量的化学或生物物质。这种通用方法也称为表面增强红外吸收（SEIRA）。

然而，大多数SEIRA光学传感器的一个关键问题是，热点仅占据整个器件表面积的一小部分。另一方面，分析物分子通常随机分布在器件表面，因此只有一小部分分析物分子位于热点中，并有助于增强吸收。“如果大多数分析物分子能够被输送到光学传感器的热点中，SEIRA信号将会更强。这正是我们设计光学传感器的关键动机。”刘博士说道。

“目前有一些技术，例如光镊和介电泳，可以操纵小颗粒甚至分子，并将它们输送到热点等目标位置。然而，这些技术需要大量的能量输入，而且操作起来也很复杂。” 刘博士补充道：“我们着手探索的是一种装置结构，能够以被动（无需能量输入）且有效的方式将从溶液中沉淀出来的物分子捕获到热点中，我们意识到可以利用液体的张力来实现这一目标。”

除了演示生物分子传感之外，该团队还进行了另一组实验，结果表明，同类型的器件结构也能有效地将脂质体颗粒（特征尺寸约为100纳米）捕获在微小的沟槽中。这意味着此类光学传感器可以优化用于检测和分析病毒或外泌体等纳米物体，这些物体的尺寸与实验中使用的脂质体相似。

科学家们相信，所展示的SEIRA光学传感器设计策略也可以应用于其他类型的。除了传感应用外，此类器件结构还可以用于操控纳米级物体，包括外泌体、病毒和量子点。