新型聚合物回音壁模式微激光传感器更易集成到芯片实验室设备中，有望实现疾病早期诊断。图片来源：香港理工大学张阿平（A. Ping Zhang）

研究人员开发出一种用于高灵敏度芯片生物传感的 3D 微打印传感器。这种基于聚合物回音壁模式（whispering-gallery-mode, WGM）微激光的传感器，为开发高性能、低成本的芯片实验室（lab-on-a-chip）设备以实现疾病早期诊断开辟了新可能。

“未来，这些回音壁模式微激光传感器可集成到微流控芯片中，催生新一代芯片实验室设备，用于超灵敏定量检测多种生物标志物，” 研究团队负责人、中国香港理工大学的张阿平（A. Ping Zhang）表示，“这可能用于癌症、阿尔茨海默病等疾病的早期诊断，或应对新冠疫情等重大健康危机。”

在《光学快报》（Optics Letters）期刊中，研究人员描述了这种新型微激光传感器的设计，其克服了传统技术难以集成到芯片实验室系统的多项挑战 —— 这类系统本可用于即时医疗检测。

研究人员还展示了该传感器独特的利马松（Limacon）形圆盘微腔，能够检测极低浓度的人体免疫球蛋白 G（IgG）—— 一种在血液和其他体液中常见的抗体。

“这种创新微激光传感器的成功得益于我们自主研发的 3D 微打印技术，” 张阿平说，“它能快速打印特殊设计的 3D 回音壁模式微腔，并对悬浮微盘进行高精度修整。”

这些扫描电子显微镜图像展示了不同变形程度的 3D 微打印利马松形回音壁模式微腔：（i）微腔阵列，（ii）单个微腔的放大顶视图，（iii）单个微腔的放大侧视图（80° 视角）。图片来源：香港理工大学张阿平

将微激光传感器集成到芯片上

光学回音壁模式微激光传感器的工作原理是将光捕获在微小的微腔中。当目标分子与微腔结合时，会引起激光频率的细微变化，从而实现高灵敏度生物检测。

这类传感器在实际应用中的挑战之一是，将光耦合到微腔中通常需要直径小于 2 微米的锥形光纤。如此纤细的光纤难以对准，且易受各种环境干扰，这成为将微激光传感器集成到芯片实验室设备以实现生物分子实时高灵敏度检测的障碍。

利用微激光传感器自身发射的光来替代锥形光纤传输，是一种有前景的方案，但传统回音壁模式微激光的圆形微腔难以有效收集光线，限制了传感器信号的读取效果。

打印精密生物传感器

为解决这一问题，研究人员设计了一种带有利马松形悬浮微盘的回音壁模式微激光传感器。该设计赋予传感器低激光阈值和定向光发射能力，提升了效率并使芯片集成更具可行性。

借助自主研发的 3D 微打印技术（兼具高分辨率和高灵活性），研究人员能够快速打印回音壁模式微激光生物传感器阵列。实验表明，该生物传感器的激光阈值低至 3.87 μJ/mm²，激光线宽窄至约 30 pm，能够检测到每毫升仅阿托克级的 IgG，彰显了其对早期疾病诊断所需生物标志物的超痕量检测潜力。

未来，研究人员计划将微激光传感器集成到微流控芯片中，开发光流控生物芯片，以实现多种疾病生物标志物的快速定量同步检测。

更多信息

相关研究成果发表于《光学快报》（Optics Letters），标题为《3D 微打印聚合物利马松形回音壁模式微激光传感器用于无标记生物检测》（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

来源：Optica

术语注释

回音壁模式（WGM）：光在微腔边界通过全反射形成的环形传播模式，常用于高灵敏度光学传感。

利马松形（Limacon）：一种数学曲线形状，此处指微腔截面呈类似心脏线的变形圆盘结构，可优化光场分布和发射方向性。