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- 3D 打印微激光傳感器實(shí)現(xiàn)超強(qiáng)生物傳感
- 來(lái)源：作者：Optica 編輯：加比克拉克（Gaby Clark），審核：羅伯特伊根（Robert Egan） 發(fā)表于 2025/5/26
新型聚合物回音壁模式微激光傳感器更易集成到芯片實(shí)驗(yàn)室設(shè)備中，有望實(shí)現(xiàn)疾病早期診斷。圖片來(lái)源：香港理工大學(xué)張阿平（A. Ping Zhang）
研究人員開(kāi)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(kāi)發(fā)高性能、低成本的芯片實(shí)驗(yàn)室（lab-on-a-chip）設(shè)備以實(shí)現(xiàn)疾病早期診斷開(kāi)辟了新可能。
“未來(lái)，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(shí)驗(yàn)室設(shè)備，用于超靈敏定量檢測(cè)多種生物標(biāo)志物，” 研究團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人、中國(guó)香港理工大學(xué)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(yīng)對(duì)新冠疫情等重大健康危機(jī)�！�
在《光學(xué)快報(bào)》（Optics Letters）期刊中，研究人員描述了這種新型微激光傳感器的設(shè)計(jì)，其克服了傳統(tǒng)技術(shù)難以集成到芯片實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的多項(xiàng)挑戰(zhàn) —— 這類系統(tǒng)本可用于即時(shí)醫(yī)療檢測(cè)。
研究人員還展示了該傳感器獨(dú)特的利馬松（Limacon）形圓盤微腔，能夠檢測(cè)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(jiàn)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(shù)，” 張阿平說(shuō)，“它能快速打印特殊設(shè)計(jì)的 3D 回音壁模式微腔，并對(duì)懸浮微盤進(jìn)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(gè)微腔的放大頂視圖，（iii）單個(gè)微腔的放大側(cè)視圖（80° 視角）。圖片來(lái)源：香港理工大學(xué)張阿平
將微激光傳感器集成到芯片上
光學(xué)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(dāng)目標(biāo)分子與微腔結(jié)合時(shí)，會(huì)引起激光頻率的細(xì)微變化，從而實(shí)現(xiàn)高靈敏度生物檢測(cè)。
這類傳感器在實(shí)際應(yīng)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(xì)的光纖難以對(duì)準(zhǔn)，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(shí)驗(yàn)室設(shè)備以實(shí)現(xiàn)生物分子實(shí)時(shí)高靈敏度檢測(cè)的障礙。
利用微激光傳感器自身發(fā)射的光來(lái)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(hào)的讀取效果。
打印精密生物傳感器
為解決這一問(wèn)題，研究人員設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(shù)（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(shí)驗(yàn)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(cè)到每毫升僅阿托克級(jí)的 IgG，彰顯了其對(duì)早期疾病診斷所需生物標(biāo)志物的超痕量檢測(cè)潛力。
未來(lái)，研究人員計(jì)劃將微激光傳感器集成到微流控芯片中，開(kāi)發(fā)光流控生物芯片，以實(shí)現(xiàn)多種疾病生物標(biāo)志物的快速定量同步檢測(cè)。
更多信息
相關(guān)研究成果發(fā)表于《光學(xué)快報(bào)》（Optics Letters），標(biāo)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(wú)標(biāo)記生物檢測(cè)》（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(lái)源：Optica
術(shù)語(yǔ)注釋
回音壁模式（WGM）：光在微腔邊界通過(guò)全反射形成的環(huán)形傳播模式，常用于高靈敏度光學(xué)傳感。
利馬松形（Limacon）：一種數(shù)學(xué)曲線形狀，此處指微腔截面呈類似心臟線的變形圓盤結(jié)構(gòu)，可優(yōu)化光場(chǎng)分布和發(fā)射方向性。
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