01導讀

光學傳感器被廣泛用于獲取生物分子的濃度、結構和分布信息等，為疾病篩查、診斷和治療提供先進手段。特別是在傳染病和流行病的大規模篩查中，傳感器的讀數結果應與生物樣本相關聯，以避免樣本混淆，確保可靠和可追溯的檢測結果。為了唯一地識別每個生物樣本并保護病患隱私，需要有大編碼容量的標簽。因此，一個具有標簽功能的光學傳感器對于生物標志物的高靈敏檢測以及樣品和測試結果的唯一識別是至關重要的。

近日，電子科技大學和南洋理工大學的合作研究團隊提出一種光子帶隙光纖（Photonicbandgap fiber, PBG fiber）微流激光傳感器，并利用其雙波段輸出實現了激光標簽和生物標志物傳感的雙功能集成。

利用短波段（BandII）諧振峰波長的隨機性對其進行編碼，并結合光纖軸向的長度優勢進行空間域的復用，實現了一個具有較大編碼容量（>28500）的二維激光標簽。利用長波段（Band I）的周期性諧振峰，實現了微量白蛋白（Microalbumin, mAlb）的免疫比濁傳感，并實現了0.06ng/mL的檢測極限。研究成果可為推廣疾病篩查項目提供一種集成的技術選擇。

02研究背景

光微流激光器將諧振微結構和液體增益材料整合在微流通道中，得益于諧振腔的光反饋和激光的放大作用，腔內分析物的細微變化可以被分辨出來，轉化為激光信號，從而可以實現對生物分子、細胞、和組織等的高靈敏分析。此外，利用激光的窄線寬特性可以通過對波長、偏振等參數進行編碼實現光子標簽，用于單細胞示蹤，防偽標記等。然而，目前的激光編碼光子標簽在提取傳感信號方面仍具有挑戰，因為光子標簽要求激光特征參數在反復訪問中保持一致，而傳感則要求激光特征參數隨著分析物的變化而有規律地變化。

我們提出了一種光子帶隙（PBG）光纖微流激光傳感器，以實現集成的標簽和生物標志物傳感功能（圖1a和b）。我們發現PBG光纖可支持兩種不同的諧振機制，形成獨特的雙波段激光發射，允許兩種功能相互獨立，同時保持高度集成。

圖1 PBG光纖微流激光傳感器概念圖。a. 用于生成二維激光標簽的PBG光纖微流激光傳感器；b. 用作免疫傳感器的PBG光纖微流激光傳感器。

圖源：Laser & Photonics Reviews（2023） https://doi.org/10.1002/lpor.202200834 (Fig.1）

03創新研究

3.1 原理

空芯PBG光纖可以作為微流通道儲存液體增益介質，同時光纖內壁的PBG反射結構作為微腔，為激光發射提供光學反饋。我們首次發現PBG光纖可支持雙波段微流激光發射，如圖2a所示，激光光譜隨泵浦能量密度增加的變化。當泵浦能量密度達到閾值時，在Band I出現周期性的激光縱模。

通過自由光譜范圍（FSR）計算得到的理論腔長接近于PBG結構的內徑，這一結果表明，Band I中的周期性諧振峰來自于PBG結構。當泵浦能量密度繼續增加，在Band II出現隨機諧振峰，通過對比實驗和光譜統計分析，Band II來源于PBG反射結構和包層中的氣孔界面形成的多個FP腔之間的游標效應和光反饋效應。我們觀察到，在固定的光纖位置，Band II的光譜是穩定的，但在不同的軸向位置卻隨機變化（圖2b），這是二維激光標簽唯一性的關鍵。



圖2 PBG光纖微流激光傳感器的激光特性。a. 不同泵浦能量強度下的發射光譜。低泵浦能量密度下的長波激光用于傳感（Band I），高泵浦能量密度下的短波激光用于標簽（Band II）。b. Band II在PBG光纖50個不同位置的發射光譜（上）。Band II在PBG光纖同一位置的50個發射光譜（下）。c. PBG光纖截面和布拉格反射結構電鏡圖

3.2 二維激光標簽

將BandII的光譜區域劃分為50個區間，通過將每個區間的諧振峰強度與預定義的閾值進行比較來賦予此區間數碼"0"或"1"（圖3a），PBG光纖在一個掃描點產生的光譜可以編碼為一個一維標簽。沿光纖軸向掃描泵浦激光，一維標簽被擴展為二維激光標簽。如圖3b所示，用一段7.5 mm的光纖得到一個50×50比特的二維激光標簽，且比特數還可以通過增加掃描點的數量進一步擴展。引入歸一化的漢明距離（HD）來評估光纖上不同掃描點之間光譜的相關性（圖3c）和同一個標簽多次訪問的重復性。

統計結果顯示，50個不同掃描點的光譜編碼結果之間的HD分布采用高斯曲線擬合，對50個不同掃描點的光譜編碼結果之間的HD分布進行高斯擬合，統計結果顯示，平均值為0.497，方差為0.0057。平均值接近理想值0.5，體現出掃描點之間的光譜隨機性。通過增加掃描點的數量和調節染料的種類和濃度，可以實現標簽編碼容量的進一步擴展（>28500）。



圖3二維激光標簽編碼原理。a.一個Band II光譜的編碼方式。b.沿光纖軸向掃描得到的二維激光標簽。c. b中50個掃描點之間的HD距離矩陣。

3.3生物標志物mAlb的激光免疫傳感

采用同樣的PBG光纖微流激光，在Band I檢測尿液中的微量白蛋白（mAlb）。尿液中出現高水平的mAlb稱為蛋白尿，是糖尿病腎病的重要預后標志物，也是原發性高血壓、系統性血管損傷、和缺血性心臟病的獨立預測標志物。如圖4a所示，基于激光的生物傳感是通過將分析物置于激光腔內，使分析物與諧振光相互作用并引起激光輸出的變化來實現的。

在該工作中，由分析物引起的腔內損耗的微小變化可以通過激光過程放大，通過監測激光強度的下降，可以靈敏地檢測mAlb的濃度。圖4b中繪制了mAlb檢測的標定曲線，動態范圍從0.06 ng/mL到6 ng/mL。傳統的篩查工具，如試紙，只能超過提供200 ng/mL的定性檢測，相比之下，檢測性能足以滿足大規模篩查項目的需求。

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圖4mAlb檢測的免疫比濁法示意圖。a.PBG光纖微流激光的免疫比濁法傳感機制。b.生物標志物mAlb的激光免疫傳感標定曲線。

04應用與展望

該工作展示了一種具有雙波段發射的PBG光纖微流激光傳感器，集成了大容量激光標簽和生物標志物傳感功能。PBG光纖微流激光傳感器可以進一步用于疾病篩查，如圖5所示，二維激光標簽被用作區分樣本的唯一標識符，也是收集和分發用戶信息和測試結果以及生物傳感器的紐帶。由于標簽是唯一的、不可克隆的，用戶的個人信息和醫療隱私可以得到很好的保護。該工作為大規模疾病篩查項目提供了高效的檢測技術。



圖5PBG光纖微流激光在疾病篩查項目中的應用前景。a PBG光纖被用作免疫傳感器和連結檢測結果和用戶的獨特標簽。b 采用PBG光纖微流激光的疾病篩查方案示意圖。

審核編輯：劉清