新型光学技术：有望改善生物感测器 用于癌症早期检测

导读

近日，中国哈尔滨工业大学领导的科研团队开发出一种将光线注入到硅微盘中的创新方法，可降低成本并改善芯片基生物感测器的性能，并最终带来用于癌症早期诊断的低成本便携式光学感测器。

背景

英国伦敦圣保罗大教堂回音廊给人留下了深刻印象。通过回音廊，即使远处的低声耳语，也可以听得很清楚。其实，其中的物理原理很简单，就是声波会沿着弯曲光滑的墙面不断反射，在传播过程中的衰减很小。

（图片来源：维基百科）

然而，与“声学回音廊”的效果类似，笔者曾介绍过美国宾夕法尼亚州立大学开发的“光学回音廊”模式的谐振器。这种谐振器可以将光线沿着微型小球的圆周旋转数百万次，从而创造出一种芯片基超灵敏感测器，其用途非常广泛。

（图片来源：参考资料【2】）

然而，微盘也是一种微型谐振器，它采用“回音廊光学效应”囚禁并改善进入盘中的光线。与回音廊的效果类似，微盘的弧形内表面可以携带光波穿越微盘，从而增强光线。这将使得微盘能增强来自细胞、蛋白质和病毒的光基信号，带来针对狼疮、纤维肌痛、特定心脏问题等疾病相关微妙变化的更加灵敏的检测。

创新

在定点照护（point of care）中检测癌症和其他疾病，需要实用的芯片基感测器。中国哈尔滨工业大学领导科研团队开发出一种将光线注入到硅微盘中的创新方法，可降低成本并改善芯片基生物感测器的性能，从而满足以上需求。这一进展最终将带来用于癌症早期诊断的低成本便携式光学感测器。

中国哈尔滨工业大学的宋青海（Qinghai Song）教授是团队的领头人，他说：“虽然回音廊模式的微谐振器已经能用于分解单分子，但是其应用却受到了设备可重复性、稳定性、波长范围方面的问题的限制。我们的新型设计带来了优异的设备性能，能以低成本、高稳定性、更好的设备可重复性，工作于一系列波长。”

在美国光学会高影响力研究杂志《Optica》上，研究人员详细描述了他们的新型端射注入（end-fire injection）配置，它为光线进入微盘谐振器提供了一种简单、低成本、高效的途径。他们展示的设备采用微盘和端射注入，可用于检测温度变化以及纳米颗粒的存在。

（图片来源：宋青海，哈尔滨工业大学）

技术

大部分的微盘设计都采用一种光学现象，称为“倏逝光耦合”，将光线间接地注入到微盘中。然而，这个方法需要在波导和微盘之间有着非常精准地对齐，因此会增加制造成本并使得设备容易受到稳定性问题的影响。

研究人员的端射注入技术采用直接连接到微盘边缘的波导。虽然完全垂直于微盘边缘的光线将在界面上反弹，但是采用角度略小于垂直的光线，将产生一种反直觉现象，也称为“激光时间反转”，它将创造出一种吸收而不是发射光线的激光器，使得光线有效地进入微盘。

（图片来源：宋青海，哈尔滨工业大学）

Song 表示：“因为这个配置不需要任何小于500纳米的部件，所以它可以通过低成本的技术来制造。”

为了测试他们的设计，研究人员制造出一种设备，其中包含了一个与波导相连接的半径为5微米的微盘。为了测量端射注入，他们结合了一个Y分光器，使得光线穿过分光器注入到微盘中，然后沿着同样的波导从微盘中传输出来。从Y结出来的光谱记录显示，光线能以高达57%的效率耦合到微盘中。

（图片来源：宋青海，哈尔滨工业大学）

价值

研究人员的最终目标，是采用新型端射注入技术，创造出低成本便携式感测器来检测细胞中的变化，这些变化可能是癌症的早期信号。然而，他们指出，新型光耦合配置也可用于光子通信集成电路及一系列的感测器，例如用于国土安全或者环境检测的那些。

他们也展示了表现出高Q因子的设备。Q因子可以衡量微盘囚禁和增强光线的效果。此外，即使存在例如波导宽度从400纳米增至700纳米的制造偏差，设备仍可以保持良好的性能参数。

Song 表示：“我们展示的端射注入技术的性能可与传统的微盘相媲美，但是鲁棒性更好而且低成本更低。总体来说，我们的研究成果显示，微盘目前已经准备好商用。”

研究人员也展示了集成微盘和端射注入的感测器，可检测多个大型纳米颗粒以及小到30纳米的单个纳米颗粒的存在。他们对于采用约40纳米到100纳米的细胞衍生微泡检测癌症感兴趣。基于这些研究成果，这种检测将变得有可能。

未来

研究人员正在努力研究采用端射注入技术的设备的其他部件，创造出低成本便携式感测器，从而检测癌症的早期信号。

关键字

感测器、癌症、光学、谐振器、芯片

参考资料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/innovative_light-delivery_technique_improves_biose/

【2】Chenchen Zhang, Alexander Cocking, Eugene Freeman, Zhiwen Liu, Srinivas Tadigadapa. On-Chip Glass Microspherical Shell Whispering Gallery Mode Resonators. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-14049-w

【3】S.
Liu, W. Sun, Y. Wang, X. Yu, K. Xu, Y. Huang, S. Xiao, Q. Song,
“End-fire Injection of Light into High-Q Silicon Microdisks,” Optica,Volume 5, Issue 5, 612-616 (2018).

DOI: 10.1364/OPTICA.5.000612