光学检测技术用来精确测量生物体内的各种物理和化学过程。随着社会的发展，人们对检测手段的灵敏度、精确性、速度、成本等的要求日益增长。而纳米制造技术的飞速发展，催生了一系列高性能的微/纳米光学器件，它们有望通过更强的器件性能和更轻巧的结构设计，替代传统“笨重”的光学元件来满足以上需求。其中，超构表面就是一种颇具前景的方案。
手段高超，悄悄探索生物分子的踪迹
光学传感器利用光与物质相互作用来探测蛋白质、DNA等生物分子，为生命科学的发展提供了重要支持。折射率是光学传感器一个常用的检测参数，基于超表面的传感技术也是如此。环境折射率的改变会影响超表面的共振条件，进而表现为反射或透射光谱中共振峰的漂移，通过与传统光谱仪或傅里叶变换光谱仪结合可以将待测物的检测转变为对波长漂移的检测，实现无标签传感。
超表面可以根据组成材料而分成两种：一种是基于金属的超表面，它使用表面等离激元共振原理，拥有更高的品质因子和更强的光与物质相互作用，能获得更好的检测效果，可用于检测超低浓度的样品；另一种则是由介质材料构成的全介质超表面，不同的结构和入射光可以激发不同的谐振，进而利用这些光谱共振峰进行传感；由于不像金属那样对光有明显的吸收，该类超表面可以在弱激发光的情况下检测微弱信号，常用于检测活体样本。此外，通过合理设计结构参数，超构表面能提供更多的待测物结合位点和多共振相应，从而实现更高的灵敏度和更低的检测极限。
在医疗领域，超表面可以与传统检测手段相结合以提升性能，如应用于检测各种肿瘤标志物、与免疫相关的链霉亲和素和免疫球蛋白G等，与单独传统商用的检测手段相比检测灵敏度有所提升。此外，超表面还可以用于胰岛素、新冠病毒、HIV病毒、DNA和与血栓相关的凝血酶生物标志物的检测等。将超表面与细胞培养平台集成可以用于细胞凋亡研究，通过共振波长的变化实时反映细胞数量或状态的变化情况，解决了当下荧光法等在长时间检测方面的问题，对胚胎发育、肿瘤防治和免疫调节等领域有重要意义。
图1 （a）检测人抗体免疫球蛋白G的超表面结构和检测光谱；（b）检测人牙源性成釉细胞相关蛋白的超表面结构；（c）检测脂质和多肽的金纳米天线超表面
火眼金睛，洞察单分子的隐藏秘密
在低浓度甚至单分子检测领域，上述基于折射率和共振峰漂移技术的灵敏度是不够的，需要采用新技术：基于超表面的光谱增强技术，如表面增强拉曼散射（SERS）和荧光增强。
拉曼光谱技术利用样品分子的拉曼散射光来提取成分和浓度信息，其光谱特征峰的位置由每个官能团的振动频率决定。然而，拉曼散射光信号非常微弱，难以从荧光背景中区分出来，而等离激元超表面可以通过局部表面等离激元共振提供极强的近场电场增强，进而增强拉曼光谱。到目前为止，等离激元超表面已被证明可以产生2 × 105量级的拉曼散射增强，从而实现单分子水平的定量SERS，甚至是单氨基酸识别。
基于荧光增强的生物检测技术，是另一种能够检测低浓度样品的方法。该技术依赖于生物样品的荧光发射或附着在目标生物样品上的荧光团。金属超表面已被证明可将荧光强度提高三个数量级，而介电超表面具有更低的损耗和更小的热量产生量，因此更适合用于增强生物样品的荧光信号。到目前为止，基于荧光增强的超表面生物传感已达到pg/mL (fM)的水平，并进一步将检测限(LOD)降低至5.86 aM。
图2 (a) 具有单分子检测水平的SERS结构：覆盖单层石墨烯的纳米空阵列；（b）具有fM检测水平的荧光增强结构：SOI圆柱阵列
技法精妙，开启微观世界的高清探秘之旅
生物成像技术能够观察和分析生物体内的结构和生理过程，揭示细胞、组织乃至整个生物体的详尽信息，为生物医学研究和临床诊断提供了极大支持。超表面通过设计结构参数，能够通过形成超透镜来减小检测仪器体积，或增强成像质量。
生物分子的手性特征是医学检测的一个重要项目，传统医学检测手段通常需要级联多个透镜来实现，而基于超表面的超透镜可以独自实现复杂透镜组合的功能，从而大大缩小检测仪器的体积。基于超表面的超透镜还可以通过设计结构参数，解决成像中面临的球差和色差问题，进而用于改进光学相干层析成像技术；或者增强成像的荧光强度，进而用于荧光成像技术，获得物体边缘更清晰、成像对比度更高的结果；还可以制备于光纤等柔性材料表面，实现内窥成像和远距离传感。核磁共振成像广泛应用于人体内部结构的成像，但是它的成像时间很长。基于超表面的解决方案可以通过在亚波长尺度调控射频电磁场分布来显著提升信噪比，从而缩短成像时间。
图3 (a)基于光偏振的生物手性成像效果，分别使用左旋和右旋偏振光；（b）超透镜和传统透镜的荧光成像对比图；（c）使用超表面的核磁共振成像示意图和电磁场分布仿真
挑战与机遇并存，市场争夺战已经打响
超表面还可以应用于非生物领域，如塑料和农药检测等，这也展现了其在材料科学和环境监测等领域的应用潜力。
虽然有着广阔的发展前景，但是超表面的大规模商业化应用仍面临着挑战。一方面，目前大部分超表面制备技术仍处于实验室阶段，下游量产情况难以预估，且功能越多，性能越好的超表面，往往需要更复杂的制备方式，这对微纳加工工艺的发展提出了要求；另一方面，超表面对器件或仪器性能的提升要足够大，才能够驱动其商业化进程，这就要求研究人员持续深入地研究超表面，如解决超透镜的色差问题。目前，除了各大高校和科研院所，国内外也已经有许多公司对超表面的研发和应用进行了布局，华为、苹果、谷歌和三星等超大型企业身先士卒，山河元景、迈塔兰斯科技、Alpha Cen、Metalenz和Meta Materials Inc.等专精企业也在超表面成像、传感和芯片等领域进行了充分探索，共同推动其商业化进展。
图4 （a）山河元景公司超表面传感产品；（b）迈塔兰斯科技公司耦合透镜阵列产品；（c）Metalenz公司具有10000个超构透镜的12寸晶圆；（d）META公司超构透镜示意图
随着材料科学和微纳加工技术的不断进步，以近波长和亚波长量级空间尺度光学效应为主要研究对象的微纳光学近年来发展迅速，对光场调控、片上激光、光量子物理和非线性物理等领域的发展产生了深远的影响。
