超灵敏双曲面鼓型微腔激光生物传感器

来源：两江科技评论

近期，复旦大学信息学院光科学与工程系吴翔教授与南京大学现代工程与应用科学学院姜校顺教授合作团队研发了一种新型双曲面鼓型微腔（hyperboloid-drum microdisk, HD microdisk）激光生物传感器。这种传感器可以实现超灵敏大动态测量范围的生物分子特异性检测，在临床医学、疾病诊断以及药物筛选等领域具有广阔的应用前景。

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目前，高传染性疾病时常在密集人群中爆发，而对生物病毒标志物的快速、准确地检测，可以为疾病的预防、诊断和及时治疗提供重要的依据，从而有效地控制危险传染病的传播活动。然而目前市面上的检测仪器大多存在设备庞大、价格昂贵且检测时间过长等问题，制约这些技术在疾病早期检测和诊断中的推广。

近来，无标记光学生物传感器由于其可在生物分析物的自然状态下进行检测，且具有非侵害性、高灵敏度、实时检测等优点而受到广泛的关注。在众多光子学结构中，光学回音壁模式（whispering gallery mode，WGM）微腔在束缚光场至微米量级的同时，能保持很高的品质因子（Q），且能大幅度地增强光与物质相互作用，实现痕量物质的探测，是一种非常合适的传感元件。

图1 超灵敏双曲面鼓型微腔激光生物传感器示意图、电子显微镜图、光谱图及微流控装置、不同光学生物传感器对比。

WGM微腔传感器可分为无源和有源传感器两类。有源WGM微腔传感器可以同时进行远程激励、探测和收集信号，无需光学耦合器件（波导或拉锥光纤）来传输光信号，具有无源微腔传感器所不具备的优点。然而，有源WGM微腔传感器大多由掺染料的有机聚合物材料制备而成，常常由于工艺流程（光刻或刻蚀）的精度而导致微腔表面粗糙，降低Q值，提高激光阈值；而较大的泵浦功率会带来明显的热作用，加快染料漂白速度，降低微腔的稳定性，从而限制了有源微腔传感器的探测精度。

针对上述问题，研究团队以高Q值二氧化硅微盘微腔为骨架、掺罗丹明B（Rhodamine B）的光刻胶（SU-8）为增益介质，制备出复合型双曲面鼓型微腔激光器。由于SU-8胶体在固化时的表面张力作用，形成了光滑的微腔表面，保证微腔的高Q值（>105），降低了激光产生的阈值，从而有效地减小了泵浦光的热作用和染料漂白对传感的影响；另一方面，带有楔角的微腔形貌会进一步压缩WGM光场，增大光与物质相互作用，从而提高传感器的灵敏度。

研究团队利用双曲面鼓型微腔激光器进行无标记生物分子检测，在磷酸盐缓冲液（phosphate buffer saline, PBS）下实现对牛血清白蛋白分子（bovine serum albumin, BSA）的非特异性检测和人免疫球蛋白分子（immunoglobulin G, IgG）的特异性检测；在此基础上，团队进一步演示在复杂的环境下（人工血清），该生物传感器对人IgG分子的特异性检测能力。研究表明，传感器非特异性检测BSA分子的理论探测极限达到4.5 ag mL-1，对人IgG分子特异性检测的理论探测极限为9 ag mL-1，实际测量范围为14个数量级，达到无标记光学生物分子特异性检测的国际领先水平。该传感器的制备工艺与微电子工艺相兼容，可实现大批量生产，重复性高；另一方面，该传感器还可与光流控技术结合，实现高灵敏高通量的光学检测芯片，为疾病标志物的快速精确检测提供一种切实可行的技术方案。

相关成果以“Hyperboloid-Drum Microdisk Laser Biosensors for Ultrasensitive Detection of Human IgG ”为题于6月8日在线发表在Small上。