新型聚合物回音壁模式微激光傳感器更易集成到芯片實驗室設備中，有望實現(xiàn)疾病早期診斷。圖片來源：香港理工大學張阿平（A. Ping Zhang）

研究人員開發(fā)出一種用于高靈敏度芯片生物傳感的 3D 微打印傳感器。這種基于聚合物回音壁模式（whispering-gallery-mode, WGM）微激光的傳感器，為開發(fā)高性能、低成本的芯片實驗室（lab-on-a-chip）設備以實現(xiàn)疾病早期診斷開辟了新可能。

“未來，這些回音壁模式微激光傳感器可集成到微流控芯片中，催生新一代芯片實驗室設備，用于超靈敏定量檢測多種生物標志物，” 研究團隊負責人、中國香港理工大學的張阿平（A. Ping Zhang）表示，“這可能用于癌癥、阿爾茨海默病等疾病的早期診斷，或應對新冠疫情等重大健康危機。”

在《光學快報》（Optics Letters）期刊中，研究人員描述了這種新型微激光傳感器的設計，其克服了傳統(tǒng)技術難以集成到芯片實驗室系統(tǒng)的多項挑戰(zhàn) —— 這類系統(tǒng)本可用于即時醫(yī)療檢測。

研究人員還展示了該傳感器獨特的利馬松（Limacon）形圓盤微腔，能夠檢測極低濃度的人體免疫球蛋白 G（IgG）—— 一種在血液和其他體液中常見的抗體。

“這種創(chuàng)新微激光傳感器的成功得益于我們自主研發(fā)的 3D 微打印技術，” 張阿平說，“它能快速打印特殊設計的 3D 回音壁模式微腔，并對懸浮微盤進行高精度修整�！�

這些掃描電子顯微鏡圖像展示了不同變形程度的 3D 微打印利馬松形回音壁模式微腔：（i）微腔陣列，（ii）單個微腔的放大頂視圖，（iii）單個微腔的放大側視圖（80° 視角）。圖片來源：香港理工大學張阿平

將微激光傳感器集成到芯片上

光學回音壁模式微激光傳感器的工作原理是將光捕獲在微小的微腔中。當目標分子與微腔結合時，會引起激光頻率的細微變化，從而實現(xiàn)高靈敏度生物檢測。

這類傳感器在實際應用中的挑戰(zhàn)之一是，將光耦合到微腔中通常需要直徑小于 2 微米的錐形光纖。如此纖細的光纖難以對準，且易受各種環(huán)境干擾，這成為將微激光傳感器集成到芯片實驗室設備以實現(xiàn)生物分子實時高靈敏度檢測的障礙。

利用微激光傳感器自身發(fā)射的光來替代錐形光纖傳輸，是一種有前景的方案，但傳統(tǒng)回音壁模式微激光的圓形微腔難以有效收集光線，限制了傳感器信號的讀取效果。

打印精密生物傳感器

為解決這一問題，研究人員設計了一種帶有利馬松形懸浮微盤的回音壁模式微激光傳感器。該設計賦予傳感器低激光閾值和定向光發(fā)射能力，提升了效率并使芯片集成更具可行性。

借助自主研發(fā)的 3D 微打印技術（兼具高分辨率和高靈活性），研究人員能夠快速打印回音壁模式微激光生物傳感器陣列。實驗表明，該生物傳感器的激光閾值低至 3.87 μJ/mm²，激光線寬窄至約 30 pm，能夠檢測到每毫升僅阿托克級的 IgG，彰顯了其對早期疾病診斷所需生物標志物的超痕量檢測潛力。

未來，研究人員計劃將微激光傳感器集成到微流控芯片中，開發(fā)光流控生物芯片，以實現(xiàn)多種疾病生物標志物的快速定量同步檢測。

更多信息

相關研究成果發(fā)表于《光學快報》（Optics Letters），標題為《3D 微打印聚合物利馬松形回音壁模式微激光傳感器用于無標記生物檢測》（3D micro-printed polymer limacon-shaped whispering-gallery-mode microlaser sensors for label-free biodetection），DOI: 10.1364/OL.557384。

期刊信息：Optics Letters

來源：Optica

術語注釋

回音壁模式（WGM）：光在微腔邊界通過全反射形成的環(huán)形傳播模式，常用于高靈敏度光學傳感。

利馬松形（Limacon）：一種數(shù)學曲線形狀，此處指微腔截面呈類似心臟線的變形圓盤結構，可優(yōu)化光場分布和發(fā)射方向性。