集成激光標(biāo)簽與傳感的光子帶隙光纖微流激光傳感器

01導(dǎo)讀

光學(xué)傳感器被廣泛用于獲取生物分子的濃度、結(jié)構(gòu)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(guī)模篩查中，傳感器的讀數(shù)結(jié)果應(yīng)與生物樣本相關(guān)聯(lián)，以避免樣本混淆，確?？煽亢涂勺匪莸?a target="_blank">檢測結(jié)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(biāo)簽。因此，一個具有標(biāo)簽功能的光學(xué)傳感器對于生物標(biāo)志物的高靈敏檢測以及樣品和測試結(jié)果的唯一識別是至關(guān)重要的。

近日，電子科技大學(xué)和南洋理工大學(xué)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(xiàn)了激光標(biāo)簽和生物標(biāo)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(jié)合光纖軸向的長度優(yōu)勢進行空間域的復(fù)用，實現(xiàn)了一個具有較大編碼容量（>28500）的二維激光標(biāo)簽。利用長波段（Band I）的周期性諧振峰，實現(xiàn)了微量白蛋白（Microalbumin, mAlb）的免疫比濁傳感，并實現(xiàn)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(shù)選擇。

02研究背景

光微流激光器將諧振微結(jié)構(gòu)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(nèi)分析物的細微變化可以被分辨出來，轉(zhuǎn)化為激光信號，從而可以實現(xiàn)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(shù)進行編碼實現(xiàn)光子標(biāo)簽，用于單細胞示蹤，防偽標(biāo)記等。然而，目前的激光編碼光子標(biāo)簽在提取傳感信號方面仍具有挑戰(zhàn)，因為光子標(biāo)簽要求激光特征參數(shù)在反復(fù)訪問中保持一致，而傳感則要求激光特征參數(shù)隨著分析物的變化而有規(guī)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(xiàn)集成的標(biāo)簽和生物標(biāo)志物傳感功能（圖1a和b）。我們發(fā)現(xiàn)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(fā)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(biāo)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(chuàng)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(zhì)，同時光纖內(nèi)壁的PBG反射結(jié)構(gòu)作為微腔，為激光發(fā)射提供光學(xué)反饋。我們首次發(fā)現(xiàn)PBG光纖可支持雙波段微流激光發(fā)射，如圖2a所示，激光光譜隨泵浦能量密度增加的變化。當(dāng)泵浦能量密度達到閾值時，在Band I出現(xiàn)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(jié)構(gòu)的內(nèi)徑，這一結(jié)果表明，Band I中的周期性諧振峰來自于PBG結(jié)構(gòu)。當(dāng)泵浦能量密度繼續(xù)增加，在Band II出現(xiàn)隨機諧振峰，通過對比實驗和光譜統(tǒng)計分析，Band II來源于PBG反射結(jié)構(gòu)和包層中的氣孔界面形成的多個FP腔之間的游標(biāo)效應(yīng)和光反饋效應(yīng)。我們觀察到，在固定的光纖位置，Band II的光譜是穩(wěn)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(biāo)簽唯一性的關(guān)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(fā)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(biāo)簽（Band II）。b. Band II在PBG光纖50個不同位置的發(fā)射光譜（上）。Band II在PBG光纖同一位置的50個發(fā)射光譜（下）。c. PBG光纖截面和布拉格反射結(jié)構(gòu)電鏡圖

3.2 二維激光標(biāo)簽

將BandII的光譜區(qū)域劃分為50個區(qū)間，通過將每個區(qū)間的諧振峰強度與預(yù)定義的閾值進行比較來賦予此區(qū)間數(shù)碼"0"或"1"（圖3a），PBG光纖在一個掃描點產(chǎn)生的光譜可以編碼為一個一維標(biāo)簽。沿光纖軸向掃描泵浦激光，一維標(biāo)簽被擴展為二維激光標(biāo)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(biāo)簽，且比特數(shù)還可以通過增加掃描點的數(shù)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(guān)性（圖3c）和同一個標(biāo)簽多次訪問的重復(fù)性。

統(tǒng)計結(jié)果顯示，50個不同掃描點的光譜編碼結(jié)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(jié)果之間的HD分布進行高斯擬合，統(tǒng)計結(jié)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(xiàn)出掃描點之間的光譜隨機性。通過增加掃描點的數(shù)量和調(diào)節(jié)染料的種類和濃度，可以實現(xiàn)標(biāo)簽編碼容量的進一步擴展（>28500）。



圖3二維激光標(biāo)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(biāo)簽。c. b中50個掃描點之間的HD距離矩陣。

3.3生物標(biāo)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(xiàn)高水平的mAlb稱為蛋白尿，是糖尿病腎病的重要預(yù)后標(biāo)志物，也是原發(fā)性高血壓、系統(tǒng)性血管損傷、和缺血性心臟病的獨立預(yù)測標(biāo)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(nèi)，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(xiàn)的。

在該工作中，由分析物引起的腔內(nèi)損耗的微小變化可以通過激光過程放大，通過監(jiān)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(biāo)定曲線，動態(tài)范圍從0.06 ng/mL到6 ng/mL。傳統(tǒng)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(guī)模篩查項目的需求。

?

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(biāo)志物mAlb的激光免疫傳感標(biāo)定曲線。

04應(yīng)用與展望

該工作展示了一種具有雙波段發(fā)射的PBG光纖微流激光傳感器，集成了大容量激光標(biāo)簽和生物標(biāo)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(biāo)簽被用作區(qū)分樣本的唯一標(biāo)識符，也是收集和分發(fā)用戶信息和測試結(jié)果以及生物傳感器的紐帶。由于標(biāo)簽是唯一的、不可克隆的，用戶的個人信息和醫(yī)療隱私可以得到很好的保護。該工作為大規(guī)模疾病篩查項目提供了高效的檢測技術(shù)。



圖5PBG光纖微流激光在疾病篩查項目中的應(yīng)用前景。a PBG光纖被用作免疫傳感器和連結(jié)檢測結(jié)果和用戶的獨特標(biāo)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