在光学检测中，微弱信号能否被有效捕获，直接影响检测的灵敏度。传统的信号增强通常依赖性能更高的光学元件，或通过富集、浓缩等前处理提高目标物浓度，但前者往往意味着更复杂、更昂贵的仪器系统，后者则增加了检测流程和操作成本。从生物界面中寻找传感机制，并将其转化为人工界面的检测功能，是仿生传感的重要思路。

近日，由四川大学段忆翔教授课题组、李永新教授课题组和中国科学院成都生物研究所闫志英团队汪婧婷课题组等单位组成的研究团队从荷叶表面凹陷处自然形成的露珠中获得启发，将荷叶超疏水界面调控液滴形态的自然机制引入光学传感，开发出一种仿生自发形成气包液腔（bioinspired spontaneously formed air-encapsulated cavity，BIOSAC）。该结构使液体样品加入后自发形成带空气包覆界面的稳定液滴，充当内置液体透镜，无需附加任何元件就能增强荧光、拉曼和吸收光谱信号。为阐明其中的规律，团队对上千种条件组合进行了测试，累计完成近万次。

这一研究延续了课题组长期开展的仿生传感研究思路：从生物界面中获取自然形成的结构与功能，将其转化为人工传感界面的调控能力，从而改变传统传感器中“依赖外部器件增强信号”的模式。

图1 仿生气包液腔及其多类型光学检测应用

让样品成为光路的一部分

传统光学检测通常把液体样品仅当作待测物的载体，信号增强主要依赖外部光学元件。BIOSAC 的思路则不同，它让样品自己参与光路调控。研究团队将超疏水界面与 V 形容器结构结合，液体加入后便自发形成带空气包覆界面的稳定液滴，相当于一枚内置的液体透镜。液滴的曲面形貌以及液体与空气之间的折射率差，共同改变了光的传播方向和收集效率，因此既不必进行复杂的富集浓缩前处理，也不必为读出仪器加装额外的光学元件。样品由此从被测对象变成了光路的一部分。

图2 BIOSAC的仿生设计与光学增强原理

难以定量预测的跨尺度问题

这一简洁的设计，背后是一个跨尺度的光学问题。信号始于荧光分子尺度的发光，经过界面与液滴曲面，最终在毫米乃至厘米尺度的容器和检测光路中被收集。要完整描述这一过程，需要同时兼顾微观发光、界面作用与宏观光传播，并跨越波动光学与射线光学各自适用的尺度范围，很难用统一的模型做出定量预测。流体模拟与理想化射线追迹可以解释液滴形貌和光路的变化趋势，却难以阐明实际测量中的信号变化规律。

为此，团队进行了大规模系统实验。研究从不同的底部形状和内径出发，考察了 23 类 V 底结构、107 种几何结构与体积的组合，并叠加 6 个测量高度以及超疏水处理前后的配对对照。由此构建出包含 1284 组容器与测量条件搭配的实验矩阵。每一组均独立重复多次，累计完成近万次测试。这些数据清晰揭示了结构尺寸、锥角、样品体积与测量高度之间的关联，也为不同检测需求下的参数选择提供了直接依据。

图3 多参数系统实验矩阵

从仿生界面到生物检测

为了进一步验证BIOSAC的实际应用价值，研究团队将其与无需预扩增的CRISPR/Cas13a检测体系相结合，并利用常规酶标仪完成生物检测。结果显示，该体系能够在30分钟内检测低至78 copies/μL的SARS-CoV-2 RNA。与此同时，研究团队还验证了冻干试剂与智能手机荧光读出的可行性。这表明，仿生界面产生的光学增强效应能够进一步与分子识别和生物传感技术结合，并有望与便携式检测设备、冻干试剂和手机读出等技术融合，推动仿生传感从实验室光学检测向简化、便携和现场化检测发展。

图4 BIOSAC的多类型光谱增强

结语

该研究思路与团队长期开展的仿生传感研究保持一致：以自然界中的功能界面为原型，从生物结构中寻找传感机制，再通过人工材料和界面工程将其转化为可调控的传感功能。该研究从仿生设计、材料制备到流体与光学分析、多模态光谱测试和生物检测验证。在这一体系中，仿生不再只是材料或结构层面的“模仿”，而是进一步深入到传感机制层面的功能迁移。对于光学传感而言，这意味着传感器的性能提升不一定只能依赖更复杂的光源、探测器和光学元件，也可以通过设计一个能够主动调控样品与光相互作用的仿生界面来实现。

该工作以“Bioinspired, spontaneously formed air-encapsulated cavity for sample-mediated optical signal enhancement”为题发表在 Advanced Materials（IF=29.1）上。中国科学院成都生物所的博士后吴孟璠、四川大学张楚妍博士为论文共同第一作者。中国科学院成都生物研究所汪婧婷青年研究员、四川大学李永新教授和段忆翔教授为共同通讯作者。研究获得国家自然科学基金、国家重点研发计划和四川省科技计划等项目支持。

原文链接：http://doi.org/10.1002/adma.74941