一種新型雙曲面鼓型微腔激光生物傳感器

近日，復旦大學信息學院光科學與工程系吳翔教授與南京大學現(xiàn)代工程與應用科學學院姜校順教授合作團隊研發(fā)了一種新型雙曲面鼓型微腔（hyperboloid-drum microdisk, HD microdisk）激光生物傳感器。這種傳感器可以實現(xiàn)超低濃度（~ag/mL，10-18g/mL量級）和超大動態(tài)范圍（14個數(shù)量級）的生物分子特異性檢測，在臨床醫(yī)學、疾病診斷以及藥物篩選等領域具有廣闊的應用前景。相關成果以“Hyperboloid-Drum Microdisk Laser Biosensors for UltrasensitiveDetection of Human IgG ”為題于6月8日在線發(fā)表在國際知名期刊《Small》上。論文第一作者是復旦大學博士研究生郭志和和南京大學博士研究生覃迎春，通訊作者是復旦大學吳翔教授和南京大學姜校順教授。

目前，高傳染性疾病時常在密集人群中爆發(fā)，而對生物病毒標志物的快速、準確地檢測，可以為疾病的預防、診斷和及時治療提供重要的依據(jù)，從而有效地控制危險傳染病的傳播活動。然而目前市面上的檢測儀器大多存在設備龐大、價格昂貴且檢測時間過長等問題，極大地制約這些技術在疾病早期檢測和診斷中的推廣。近來，無標記光學生物傳感器由于其可在生物分析物的自然狀態(tài)下進行檢測，且具有非侵害性、高靈敏度、實時檢測等優(yōu)點而受到廣泛的關注。在眾多光學結(jié)構中，光學回音壁模式（whispering gallery mode，WGM）微腔是一種非常合適的傳感元件。WGM微腔在束縛光場至微米量級的同時，保持很高的品質(zhì)因子（Q），能極大地增強光與物質(zhì)相互作用，實現(xiàn)痕量物質(zhì)的探測。

目前WGM微腔傳感器分為無源和有源傳感器兩類。有源WGM微腔傳感器可以同時對信號進行遠程激勵，探測和收集，無需光學耦合器件來傳導光信號，具有無源微腔傳感器所不具備的優(yōu)點。然而，有源WGM微腔傳感器大多由摻染料的有機聚合物材料光刻而成，不可避免地由于制備工藝而導致微腔表面粗糙，降低Q值，提高激光閾值；而較大的泵浦功率會帶來明顯的熱作用，加快染料漂白速度，降低微腔的穩(wěn)定性，從而限制了有源微腔傳感器的探測精度。

超靈敏雙曲面鼓形微腔激光生物傳感器示意圖及與不同光學生物傳感器對比

針對上述問題，合作團隊以高Q值二氧化硅微盤腔為骨架、以摻羅丹明B的光刻膠（SU-8）為增益介質(zhì)，制備出復合型雙曲面鼓型微腔激光器。由于SU-8膠體在固化時的表面張力作用，形成了光滑的微腔表面，保證微腔的高Q值（>105），降低了激光產(chǎn)生的閾值，從而有效地減小了泵浦光的熱作用和染料漂白對傳感的影響；另一方面，帶有楔角的微腔形貌會進一步壓縮回音壁光學模式的模場，增大光與物質(zhì)相互作用，從而提高傳感器的靈敏度。項目團隊利用雙曲面鼓型微腔激光器進行無標記的生物分子檢測，在磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline, PBS）下實現(xiàn)對牛血清白蛋白（bovineserum albumin, BSA）非特異性檢測和人免疫球蛋白（immunoglobulin G, IgG）的特異性檢測；在此基礎上，團隊進一步演示在復雜的環(huán)境下（人工血清），該生物傳感器對人IgG的特異性檢測能力。目前，傳感器非特異性檢測BSA的探測極限達到4.5 ag mL-1 (0.07 aM)，對人IgG特異性檢測的探測極限為9 ag mL-1（0.06 aM），動態(tài)測量范圍為14個數(shù)量級，達到無標記光學生物分子特異性檢測的國際領先水平。

該研究工作得到了科技部國家重點技術研發(fā)計劃專項、國家自然科學基金優(yōu)秀青年項目、上海市科委基礎研究項目和科技部973項目資助。