在癌癥和癡呆等疾病表現(xiàn)出嚴重的、不可逆轉(zhuǎn)的癥狀之前及早發(fā)現(xiàn)它們，對于公共衛(wèi)生具有重要意義，有助于降低發(fā)病率和死亡率。在疾病的早期階段，精確估計極低濃度的生物標志物是很困難的。在過去的二十年中，光學微腔已發(fā)展成為一種強大的平臺，用于放大具有強腔反饋的光信號，并且已廣泛用于生物分析。然而，對于一次性生物傳感器來說，對精細制造程序和基本耦合要求的強烈依賴是非常不可取的。

電子科技大學信息與通信工程學院光纖傳感與通信教育部重點實驗室龔原教授帶領的科學家團隊在《光科學與應用》上發(fā)表了一篇新論文。中國科技、中國成都和同事開發(fā)了光纖上的亞單層生物激光器，作為超靈敏和一次性生物傳感器。他們通過使用光纖微腔，以可忽略不計的成本實現(xiàn)了亞單層生物激光器的大規(guī)模生產(chǎn)，這些光纖微腔分布在 10 公里的非凡長度上，并且具有 10 6的超高 Q 因子(圖 1a)。與無源微腔形成鮮明對比的是，亞單層生物激光器的泵送和檢測可以通過自由空間光學方便地進行，這消除了對關鍵波導耦合的依賴，更重要的是，使得能夠開發(fā)具有超高靈敏度的一次性生物傳感器。更令人驚訝的是，通過將增益分子降低至閾值密度，他們證明，與單層生物激光器相比，亞單層生物激光器的檢測下限(LOD)提高了六個數(shù)量級。該團隊還證明他們的亞單層生物激光器有可能用于臨床診斷。他們利用亞單層生物激光器檢測血清中的帕金森病 (PD) 生物標志物，并獲得了 0.32 pM 的較低 LOD。這一結果比帕金森病患者血清中的α-syn濃度低約三個數(shù)量級。所提出的方法在具有終極靈敏度的高通量臨床診斷中提供了巨大的潛力。

這些科學家總結了亞單層生物激光的機制：

“我們發(fā)現(xiàn)光學增益略高于激光閾值的亞單層生物激光器具有最高的靈敏度。這種現(xiàn)象可以通過增益分子在激光作用中的貢獻來解釋。例如，當10,000個增益分子參與激光發(fā)射時，每個分子的平均貢獻為1/10,000。一旦我們將增益分子減少到 100，每個分子的平均貢獻將增加到 1/100。一種分析物分子在光纖上的結合將為增益分子增加一個結合位點。因此，增益分子較少的生物激光器有望獲得更高的靈敏度。”

“我們選擇商用光纖作為微腔來證明這一假設。在光纖拉制過程中，光纖的幾何形狀和表面特性得到了很好的控制。光纖可以被視為具有高度可重復性能的分布式微腔。同時，光纖的價格非常低，使得一次性傳感器成為可能。例如，我們實驗中使用的SMF-28e光纖的價格約為每米0.5美元。亞單層激光器由約 2 厘米長的光纖段制成，相應的成本約為 0.01 美元，可以忽略不計。” 他們補充道。

“亞單層生物激光器是一個通用的傳感平臺，可用于檢測生物標記物的類型。科學家預測，具有超高靈敏度的一次性激光生物傳感器可以實現(xiàn)對重大疾病的經(jīng)濟有效的早期診斷。