基于超材料的無標記光學生物傳感

陶承東，劉傳寶,，李 揚，喬利杰，周 濟，白 洋

(1 北京科技大學 新材料技術研究院，北京 100083；2 清華大學 材料學院，北京 100084)

超材料(metamaterials)是由大量周期性排列的亞波長結構單元組成的人工電磁材料，通過精心設計單元的幾何結構和排布方式，超材料對于電磁波的調控展示出前所未有的靈活性，實現了負折射[1]、完美透鏡[2]、電磁隱身[3]等一系列超常物理特性，在材料學、電磁學等不同領域中都引起了人們的廣泛關注。此外，超材料在其表面支持高度局域場增強，對周圍介電環境的變化極其敏感，在無標記光學生物傳感領域具有重要應用前景。光學生物傳感器可實現生物分子及其相互作用的快速無損檢測，對于疾病的早期診斷、生物醫藥研究以及環境監測等方面[4-6]都具有重要意義。傳統的光學生物傳感器主要基于表面等離子體共振(surface plasmon resonance, SPR)和局域表面等離子體共振(localized surface plasmon resonance, LSPR)兩種機理，往往面臨著體積龐大、靈敏度不足、功能單一等缺點，難以滿足日益復雜的實際應用需求。而超材料生物傳感器能夠支持更加豐富的電磁模態，具有更加優異的靈敏度，易于小型化和集成化，而且在功能設計上更具靈活性，是發展下一代高性能生物傳感芯片的重要方案之一。本文將按照工作頻率分類，分別總結可見光與近紅外、中紅外以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展，包括折射率生物傳感、表面增強拉曼散射、表面增強紅外吸收和太赫茲生物傳感等(圖1)[7-9]。

圖1 基于超材料的光學生物傳感器[7-9]

1 可見光與近紅外波段超材料生物傳感器

可見光與近紅外波段超材料生物傳感器主要用于折射率生物傳感，能夠對生物分子及其相互作用進行高靈敏檢測。在過去的十幾年內，研究者們提出了一系列基于法諾共振超材料、雙曲超材料、拓撲暗點等離子體超材料以及表面增強拉曼散射超材料等來實現新型無標記光學生物傳感器，有效提高了光學生物傳感器的靈敏度和品質因數，實現了較低的濃度檢測極限；并且，這些新型生物傳感器能夠與先進微納加工技術相結合，可獲得小型化和集成化的功能器件。

1.1 法諾共振超材料

法諾共振被定義為一種引起非對稱線形的共振散射現象，通常由連續態和離散態相互干涉形成[10-11]。法諾共振最初在原子物理和量子力學領域被廣泛研究，近年來研究者在等離子體超材料和超表面中都實現了這一現象。法諾共振具有極其尖銳的共振峰以及高度增強的電場，非常適用于化學檢測和生物傳感。

在等離子體超材料中，一般是通過打破納米結構的對稱性來獲得法諾共振。例如，2009年Liu等[12]通過實驗證明了可見光波段平面超材料的類電磁誘導透明現象，得到了較為尖銳的反射峰。該結構由光學“亮模”偶極天線和光學“暗模”四極天線組成(圖2(a))，最終實現了588 nm/RIU的折射率靈敏度，品質因數為3.8。2014年，Moritake等[13]利用非對稱雙棒結構實現了尖銳的法諾共振，其品質因數最高為7.34。另一種實現法諾共振的方法是設計復合結構實現“亮”/“暗”模態的雜化，其基本原理是利用“亮”/“暗”模態之間的弱耦合和干涉效應。2011年，Zhang等[14]對玻璃基板上銀納米塊的等離子體模相互作用進行了理論分析，發現當金屬納米塊靠近介質基板時，會產生新的等離子體模，并且“亮”模態和“暗”模態以近似簡并態耦合。該結構具有約954 nm/RIU的折射率靈敏度和12～20的高品質因數。2013年，Shen等[15]設計了一種亞微米金“蘑菇”陣列用于折射率生物傳感，品質因數高達108，克服了局域型表面等離子體共振生物傳感器品質因數較低的缺點，接近傳播型表面等離子體共振生物傳感器的理論極限，折射率靈敏度達到1010 nm/RIU。此外，波導耦合光柵結構也有助于在超材料中產生法諾共振。由于光柵結構不僅表現為導模共振，而且還具有法布里-珀羅腔諧振，因此許多研究者據此設計諧振峰來制作高性能的傳感器。2011年，Lee等[16]報道了由周期性納米凹槽與單納米狹縫組成的法諾共振傳感器，其品質因數為48，靈敏度為615 nm/RIU。此后，他們又通過實驗展示了一種由鍍金納米狹縫陣列組成的新結構(圖2(b))[17]，進一步改善器件性能，波長靈敏度提升至926 nm/RIU，品質因數也達到252。

圖2 用于光學生物傳感的法諾共振超材料

1.2 雙曲超材料

雙曲超材料是一類具有雙曲型色散曲線的高度各向異性超材料[18]。其相對介電常數張量的一個主分量與其他兩個主分量具有相反的符號。這里僅考慮等效介電常數為各向異性的雙曲超材料：

(1)

假設光軸沿z方向，εxx=εyy=ε⊥表示垂直于光軸的相對介電常數，εzz=ε∥表示平行于光軸的相對介電常數，雙曲超材料的相對介電常數張量滿足ε⊥·ε∥<0。此時，橫磁波入射雙曲超材料的等頻率色散曲線可表示為

(2)

式中：k0=ω/c為真空中波矢大小；c為真空中光速；kx，ky，kz分別為x，y，z方向波矢。由于ε⊥·ε∥<0，雙曲超材料的等頻率色散曲線為雙曲面(圖3(a))。根據ε⊥和ε∥的符號方向，雙曲超材料可分為ε⊥>0,ε∥<0和ε⊥<0,ε∥>0兩種類型。

圖3 用于光學生物傳感的雙曲超材料

由于獨特的雙曲型色散曲線，雙曲超材料能夠實現高靈敏生物傳感。2009年，Kabashin等[19]采用直立式自組裝金納米棒結構作為一種雙曲超材料生物傳感器，將折射率靈敏度提高至3×104nm/RIU以上，品質因數達到330。該裝置采用衰減全反射的方式，在棱鏡上附著金納米棒雙曲超材料并覆蓋微流體通道，寬帶光源從棱鏡一側斜入射，在對應的另一側接收器件反射信號。由于待檢測生物分子與局域增強電場的充分接觸，實現了折射率靈敏度的極大提高。2016年，Sreekanth等[20]利用金膜(16 nm)和氧化鋁膜(20 nm)交替堆疊的方式，實現了光柵耦合雙曲超材料生物傳感器。在折射率生物傳感實驗中，波長靈敏度達到3×104nm/RIU，同時品質因數達到590，性能優于以往基于表面等離子體共振的光學生物傳感器；且該器件在可見光到近紅外的寬波長范圍內支持高度局域的體等離激元模式，能夠在皮摩爾濃度下檢測小生物分子(244 g/mol)。同年，該作者基于相同的結構(圖3(b))，使用角度掃描測量技術，生物傳感器的角度靈敏度高達7000(°)/RIU[21]。基于雙曲超材料的生物傳感器具有極高的靈敏度，且易于小型化和集成化，為下一代高性能片上集成檢測系統提供了思路。

1.3 能夠實現拓撲暗點的等離子體超材料

為了進一步提高超材料生物傳感器的靈敏度，研究者將電磁波相位作為檢測手段，其靈敏度比采用波長或強度作為檢測手段的傳感器高1～2個數量級。2012年，Kravets等[22]提出了拓撲暗點的概念，利用光強急劇下降時產生的奇異相位來進行生物傳感，達到了單分子檢測的靈敏度。在二維光學常數(n,k)平面內，若器件的有效色散曲線(neff(λ),keff(λ))在由零反射曲線分開的兩個不同區域開始和結束，滿足約當曲線定理，則該器件可以在一定的入射角度和頻率下精確地完全抑制反射，從而實現拓撲暗點。該作者通過電子束曝光的方法制備出等離子體金納米復合光柵超材料結構，在實驗上首次實現拓撲暗點和奇異相位，并通過使用石墨烯的可逆加氫和鏈霉親和素-生物素結合等實驗，分別證明了10-15g/mm2級的區域質量敏感性和單個生物分子檢測的靈敏度。隨后，Malassis等[23]在2014年提出了一種自組裝核殼等離子體超材料結構(圖4)，以一種更為經濟的方式實現了光學拓撲暗點，大大擴展了奇異相位生物傳感器的應用范圍。

圖4 能夠實現拓撲暗點的等離子體超材料[23]

1.4 用于表面增強拉曼散射的超材料

拉曼散射指的是入射光子與物質分子發生非彈性碰撞而引起頻率變化的一種散射現象。通過分析與入射光頻率不同的拉曼散射光，能夠得到待檢測物質的分子結構指紋，從而實現物質分子組成和結構形態的無損定性檢測。拉曼散射用途廣泛，但由于其固有的小散射截面，將拉曼散射直接應用于生物傳感還比較困難。直到1974年，Fleischmann等[24]觀察到吡啶在電化學粗化銀上的拉曼信號增強。1977年，Albrecht等[25]指出這是 一種與粗糙表面相關的表面增強效應，稱為表面增強拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering, SERS)。盡管通過各種粗糙的金屬表面或納米結構提高了SERS信號增強因子，但其應用仍受到增強信號重現性差等問題的限制。大多數SERS基底只能在單個激發波長下工作，因此需要不同類型的基底進行不同激發波長的分析。在設計光學諧振特性方面，超材料可以作為SERS基底實現多種功能。2013年，Cao等[26]展示了一種可以進行SERS單分子檢測的高度可調諧可見光-近紅外超材料傳感器，由具有電、磁諧振峰的開口諧振環(圖5(a))組成，通過SERS光譜采集，信號增強因子約為6.5×107，足以達到單分子檢測的靈敏度。此外，在各種超材料中，納米圓盤結構因具有容易制造、極化不敏感、參數控制簡單等優點，被廣泛用作SERS基底[27-28]。其表面等離激元和局域表面等離激元的共振波長可以通過改變超材料的單元直徑和陣列周期進行調控。2010年，Chu等[29]提出了由金圓盤陣列-絕緣層-金膜等構成的三明治型雙共振等離子體超材料結構，信號增強因子達到7.2×107，比玻璃襯底上的金納米顆粒陣列的信號增強因子大兩個數量級。此外，納米孔等離子體超材料結構也因易于制備、性能優異引起了人們的廣泛關注。2013年，Jiao等[30]利用二維納米孔金膜獲得了5.0×107的信號增強因子。2015年，Zhang等[31]設計了一種分層多孔等離子體超材料作為三維SERS基底(圖5(b))，提供了大量的拉曼活性結合位點，表現出了良好的重現性以及對芳香族分子的超靈敏檢測，檢測極限達到10-13mol/L。

圖5 用于表面增強拉曼散射的超材料

2 中紅外波段超材料生物傳感器

中紅外光譜對應著多種生物分子的特征振動指紋[32]。通過獲取這種振動指紋，中紅外光譜能夠以非破壞、無標簽方式提供生物分子精細的生化信息，適合于檢測、識別多種不同種類的生物分子。然而，由于中紅外波長(2～6 μm)與生物分子尺寸(<10 nm)之間的巨大尺度失配，振動吸收信號非常微弱，在檢測納米樣品、生物膜或表面結合分子數量較少時，中紅外光譜的靈敏度較低[33-34]。而采用表面增強紅外吸收(surface-enhanced infrared absorption, SEIRA)可有效克服這一局限。當亞波長諧振器的諧振峰與分子振動指紋重疊時，局域增強的電場可以增強分子與諧振器之間的耦合，導致諧振頻率和強度的變化，從而提取分子指紋。這一方法已在多種金屬基超材料中實現并用于生物信息檢測[35-36]。

2.1 金屬基超材料

金屬基超材料具有亞波長結構單元，支持局域表面等離子體共振等豐富的電磁模態，能夠將光聚焦到亞波長尺度范圍內，是優良的SEIRA基底材料。近年內，已經提出了多種基于金屬基超材料的SEIRA納米光子生物傳感方案。其中，棒型納米天線超材料結構[37]由于具有較大的偶極矩、簡單的諧振模式和天線尖端較強的近場局域性，是一種理想的生物傳感平臺。在早期關于共振納米天線耦合生物分子的實驗研究中，Neubrech等[38]觀察到長度為1.5 μm的棒型金納米天線在中紅外波段具有2000以上的近場增強因子(|E|2/|E0|2)。在加入十八烷基硫醇分子前后，對單個納米天線進行紅外透射率測量時，在2900 cm-1附近表現出強烈的振動特征。Bagheri等[39]后來通過研究不同間距的金納米天線陣列超材料結構(圖6(a))，得到光柵耦合對表面增強生物傳感性能的影響。不同于簡單的棒型形狀，復雜結構的天線可以提供更優的傳感性能和更豐富的功能，如同時增強多個振動頻帶等。例如，Chen等[40]提出了一種用于表面增強光譜的雙頻設計，該設計將非對稱的交叉形狀金納米天線放置在電介質層和金反射層上，實現了雙諧振峰增強生物分子吸收的功能。此外，通過使用分形[41]、樹突[42]、錐形多偶極子[43]等不同形狀的天線設計，可進一步增加諧振峰數量來適用于不同應用場景。

相鄰天線單元之間的橫向尺寸和幾何形狀是優化靈敏度的另兩個關鍵參數。例如，與棒型結構相比，由相對的三角形諧振腔組成的蝶形天線超材料結構(圖6(b))可以提供更強的近場[44]。Yoo等[45]將原子層沉積的薄氧化鋁層與大面積光刻技術相結合，實現了亞10 nm間隙的共振同軸納米孔超材料結構(圖6(c))的高通量制備，通過減小天線元件之間的距離獲得了更高的靈敏度。SEIRA特別適合研究生物系統，因為它包含了生命基本分子構件中豐富的振動信息。例如，為了檢測脂質(約2900 cm-1)和多肽(約1600 cm-1)的特征吸收帶，Rodrigo等[46]特別設計了具有雙諧振峰的超材料結構，以提供針對這兩個波數處的局域表面等離子體共振(圖6(d))。除了化學成分外，生物分子的構象也是研究生物分子相互作用的另一個關鍵方面。蛋白質是復雜的生物分子機器，只有折疊成正確的構象才能正常工作。為了原位跟蹤蛋白質的構象狀態，Etezadi等[47]將等離子體超材料生物傳感器與微流體通道相結合，捕捉α-核蛋白并對其酰胺Ⅰ帶的紅外吸收進行測量。2012年，Wu等[48]提出了一種基于法諾共振的非對稱超材料結構，基于亞輻射和超輻射等離子體共振之間的干涉，得到了尖銳非對稱譜線，并且采用多像素陣列作為傳感平臺，對納米尺度的蛋白質分子層及其表面取向進行了多光譜生物傳感。

圖6 用于表面增強紅外吸收的多種金屬基超材料

2.2 石墨烯超材料

由于金屬材料在中紅外波段所支持的表面等離激元空間局域性較差、損耗較高、且缺乏可調諧性，在增強生物分子的特征吸收方面，性能仍然不夠理想[49]。而石墨烯作為一種新興的二維碳納米材料，具有極其優異的光學和電學性能，尤其是在中紅外波段可支持低損耗的表面等離激元[50]，具有極其緊湊的空間局域性[51]，特別適合納米尺度、微量生物分子振動指紋的檢測。而且，石墨烯表面等離激元的諧振性能具有電偏置可調性，為生物分子的選擇性檢測提供了可能。

2015年，Rodrigo等[9]詳細探討了石墨烯納米帶陣列超材料結構在中紅外波段生物傳感中的應用。通過將石墨烯加工成寬度為30 nm、周期為80 nm的光柵結構(圖7(a))，在中紅外波段成功激發局域表面等離激元。當器件表面覆蓋8 nm厚的蛋白質雙分子層(重組蛋白A/G-山羊抗小鼠免疫球蛋白G)，諧振峰發生了超過200 cm-1的紅移，且在1660 cm-1和1550 cm-1出現蛋白質雙分子層的特征吸收峰；尤其當諧振峰接近吸收峰時，蛋白質分子的特征吸收越明顯。進一步，作者將金納米天線與石墨烯納米帶進行對比，表明石墨烯局域表面等離激元在中紅外具有更強的局域性(圖7(b))。

圖7 用于表面增強紅外吸收的石墨烯超材料[9]

2016年，Hu等[52]在CaF2納米薄膜上制備了石墨烯納米帶陣列超材料結構，實現了納米級分子指紋識別，不僅避免了等離子體-聲子雜化作用，而且首次覆蓋了整個分子指紋區域(600～1500 cm-1)。2019年，Hu等[53]進一步利用石墨烯表面等離激元的強場約束和氣體分子在石墨烯納米帶上的高物理吸附，實現了SO2,NO2，N2O和NO氣體分子旋轉-振動模式的無標簽識別，檢測濃度達到800 zmol/μm2。

2.3 介質基超表面

SEIRA雖然已在多種等離子體超材料中實現，但由于金屬歐姆損耗較高，難以實現高品質因數的諧振，所獲傳感性能遠遠不夠理想；而采用介質基超表面不僅可以產生豐富的電、磁諧振模態，且可有效避免金屬損耗的難題。例如，2018年Tittl等[54]利用低損耗的二維像素化介質基超表面，得到一系列具有離散頻率的高品質因數反射率曲線，可以在多個光譜點讀出分子吸收特征；而且由于譜線干凈尖銳，分子吸收特征可由入射光強的變化近似代替，從而可以在不使用光譜儀、不需波長掃描的情況下，得到分子的吸收指紋圖像，有望實現高靈敏、多功能的中紅外光譜小型化裝置，如圖8所示。2019年，Leitis等[55]通過控制不同入射角，實現了介質基超表面電磁場的顯著近場增強和共振頻率的角度調諧，進而獲得了分子指紋成像的角度復用。

圖8 用于分子指紋成像檢測的介質基超表面[54]

3 太赫茲波段超材料生物傳感器

太赫茲波位于紅外光和微波輻射之間，包含了大量與生物分子(蛋白質、DNA等)振動及轉動相關的光譜信息，在其發展之初即受到了廣大研究者的重視[56-58]。且與其他光學技術(紫外線、X射線等)相比，它的非侵入性和非電離性允許太赫茲技術被用來檢測細胞和組織等更為復雜的結構生物材料，而不必擔心熱波動或其他非線性副作用的影響[59-60]。然而，由于生物分子在太赫茲波段的吸收截面過小，與電磁波的相互作用較弱，使得光譜信號的變化微弱，給檢測帶來了很大難度。近年來，為了提高生物傳感器的檢測靈敏度，基于超材料生物傳感芯片的太赫茲檢測技術已相繼被開發。超材料結構中局域增強的電場可以有效增加分子吸收截面，能夠用于碳水化合物、化學混合物、薄樣品層和微生物等試樣的檢測[61-64]。

3.1 典型太赫茲超材料生物傳感器

典型太赫茲超材料生物傳感器通常是基于超材料理想吸收體和法諾共振超材料進行實現的。例如，2015年Yahiaoui等[65]報道了一種多通道超材料理想吸收體，用于太赫茲波段無標簽生物傳感，其頻率靈敏度達到了139 GHz/RIU。2016年，Xu等[66]將膠體金屬納米粒子與超材料理想吸收體相結合(圖9(a))，增強了生物分子檢測的靈敏度，通過親和素與金納米粒子的偶聯反應比單獨檢測親和素的靈敏度提高了1000倍以上。2019年，Yan等[67]提出了一種基于對稱破缺雙開口環形諧振器的法諾共振超材料，理論頻率靈敏度達到455.7 GHz/RIU。在實際實驗中，當口腔癌細胞的濃度從1×105cells/mL變化到7×105cells/mL時，頻率變化量從50 GHz增大到90 GHz。2020年，Cheng等[68]在25 μm厚的聚酰亞胺基底上制備了非對稱開口諧振環法諾共振超材料，在1.13 THz處得到240 GHz/RIU的頻率靈敏度。

在超材料生物傳感器的研究中，人們對于開發適用于現場檢測、實用便攜的診斷設備的興趣也日益濃厚[69-71]，這些設備對于全球醫療保健、環境監測、食品安全等都有著巨大的應用前景。2011年，Tao等[72]提出了一種紙基平面超材料葡萄糖檢測裝置(圖9(b))，其葡萄糖檢測的靈敏度達到3.0 mmol/L，與人體血液中葡萄糖的正常濃度(3～30 mmol/L)相匹配，表現出很好的實際應用潛力。

圖9 典型的太赫茲超材料生物傳感器

太赫茲波對于水分子的強吸收，限制了太赫茲波段超材料生物傳感器對于水溶液樣品的檢測，而與微流體技術結合可以很好地解決這一問題。2008年，Sun等[73]結合微流體技術，制備了適用于50 nm薄液層傳感的開口諧振環平面結構陣列，其中電、磁諧振都表現出了紅移和透射增強的效果。2016年，Hu等[74]構建了一種微結構陣列-介電層-金屬層的三明治結構(10(a))，其中介電層具有的孔洞可作為微流體通道。通過對超材料進行設計可以將電磁場強約束在通道內，從而顯著增強了待檢測物質與入射太赫茲波之間的相互作用，其頻率靈敏度高達3.5 THz/RIU。2017年，Geng等[75]制備了兩種與微流體技術集成的太赫茲超材料生物傳感器(圖10(b))，用于檢測早期肝癌生物標志物的甲胎蛋白(AFP)和谷氨酰胺轉移酶同工酶Ⅱ(GGT-Ⅱ)。

圖10 微流體技術與超材料的結合

3.2 環形偶極子超材料

環形偶極子是環形多極子的一種，由電流沿著圓環體的子午線表面流動而形成[76]。不同于傳統的電偶極子和磁偶極子，環形偶極子具有獨特的電磁響應，可以明顯減少材料的輻射損耗，從而形成一種高品質因子的光學共振腔-環形偶極子共振腔。這種共振腔模式的激發能夠極大地促進光和物質的相互作用，繼而實現諸如低閾值半導體激發器、光開發和光調制器等重要的光學器件，且環形偶極子具有很強的電場輻射模式，對環境的擾動極其敏感[77]。

(3)

(4)

2017年，Gupta等[78]通過在環形諧振器中引入鏡像非對稱設計(圖11(a))，在臨近諧振腔中激發相反磁場形成環形偶極子，實現了太赫茲波段的平面環形超材料，并將其用于折射率生物傳感，對于微米尺度薄膜檢測最高能夠達到186 GHz/RIU的頻率靈敏度。2017年，Ahmadivand等[79]設計了一種由鐵和鈦等兩種金屬組成的非對稱平面等離子體諧振器(圖11(b))來激發太赫茲波段的磁偶極子和環形偶極子，并從實驗上證實了該環形偶極子超材料能夠檢測直徑為40 nm的寨卡病毒包膜蛋白(ZIKV，分子量為13000 g/moL)。2018年，該作者進一步研究發現，將膠體金納米粒子與環形偶極子超材料結合，器件的折射率靈敏度提高了2個數量級，為環形偶極子超材料生物傳感器的實際應用提供了可能[80]。

圖11 環形偶極子超材料生物傳感器

3.3 用于選擇性生物傳感的太赫茲超材料

太赫茲波對應著生物大分子(如蛋白質、DNA等)分子內和分子間的振動模式，可以用于選擇性生物傳感。2015年，Lee等[61]報道了一種由金納米凹槽天線陣列組成的超材料結構(圖12(a))，能夠選擇性地對碳水化合物進行高靈敏檢測。該超材料傳感平臺具有很強的電場局域性和太赫茲波透射增強特性，可以有效地提高分子的吸收。當碳水化合物分子的吸收峰與納米天線的諧振峰相匹配時，目標分子的吸收得到增強，使得在低濃度下依然能夠進行目標分子的選擇性檢測。例如，在1.4 THz附近，額外加入的D-葡萄糖分子對透射峰強度有明顯的阻尼作用，而蔗糖對透射峰強度的阻尼作用不明顯(圖12(b),(c))。

圖12 用于選擇性生物傳感的太赫茲超材料[61]

4 總結與展望

本文按照工作頻率分類，分別總結了可見光與近紅外、中紅外以及太赫茲波段超材料生物傳感器的研究進展，包括折射率生物傳感、表面增強拉曼散射、表面增強紅外吸收以及太赫茲生物傳感等。超材料生物傳感器能夠支持豐富的電磁模態，具有比傳統光學生物傳感器更加優異的靈敏度，且易于小型化和集成化，在功能的設計上具有極大的靈活性，是發展下一代高性能生物傳感芯片的重要方案之一。

對于超材料生物傳感器未來的發展趨勢，應該從以下幾方面入手：(1)探索新的傳感機理(如環形偶極子超材料的引入)，進一步提高器件靈敏度；(2)超材料多功能生物傳感器的設計(如中紅外波段生物分子指紋成像檢測)，實現多功能集成；(3)低成本、一次性使用的超材料生物傳感器設計(如紙基平面超材料)，方便個人的臨床診斷；(4)結合人工智能技術，實現高通量智能化生物分子檢測等。

綜上所述，超材料靈活的結構設計和豐富的電磁模態，為生物傳感器賦予了更多的可能性，將在未來小型化、集成化的高性能生物傳感芯片中發揮重要作用。