近日，復(fù)旦大學(xué)信息學(xué)院光科學(xué)與工程系吳翔教授與南京大學(xué)現(xiàn)代工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院姜校順教授合作團(tuán)隊(duì)研發(fā)了一種新型雙曲面鼓型微腔（hyperboloid-drum microdisk, HD microdisk）激光生物傳感器。這種傳感器可以實(shí)現(xiàn)超低濃度（~ag/mL，10-18g/mL量級(jí)）和超大動(dòng)態(tài)范圍（14個(gè)數(shù)量級(jí)）的生物分子特異性檢測(cè)，在臨床醫(yī)學(xué)、疾病診斷以及藥物篩選等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。相關(guān)成果以“Hyperboloid-Drum Microdisk Laser Biosensors for UltrasensitiveDetection of Human IgG ”為題于6月8日在線發(fā)表在國(guó)際知名期刊《Small》上。論文第一作者是復(fù)旦大學(xué)博士研究生郭志和和南京大學(xué)博士研究生覃迎春，通訊作者是復(fù)旦大學(xué)吳翔教授和南京大學(xué)姜校順教授。

目前，高傳染性疾病時(shí)常在密集人群中爆發(fā)，而對(duì)生物病毒標(biāo)志物的快速、準(zhǔn)確地檢測(cè)，可以為疾病的預(yù)防、診斷和及時(shí)治療提供重要的依據(jù)，從而有效地控制危險(xiǎn)傳染病的傳播活動(dòng)。然而目前市面上的檢測(cè)儀器大多存在設(shè)備龐大、價(jià)格昂貴且檢測(cè)時(shí)間過長(zhǎng)等問題，極大地制約這些技術(shù)在疾病早期檢測(cè)和診斷中的推廣。近來，無標(biāo)記光學(xué)生物傳感器由于其可在生物分析物的自然狀態(tài)下進(jìn)行檢測(cè)，且具有非侵害性、高靈敏度、實(shí)時(shí)檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)而受到廣泛的關(guān)注。在眾多光學(xué)結(jié)構(gòu)中，光學(xué)回音壁模式（whispering gallery mode，WGM）微腔是一種非常合適的傳感元件。WGM微腔在束縛光場(chǎng)至微米量級(jí)的同時(shí)，保持很高的品質(zhì)因子（Q），能極大地增強(qiáng)光與物質(zhì)相互作用，實(shí)現(xiàn)痕量物質(zhì)的探測(cè)。

目前WGM微腔傳感器分為無源和有源傳感器兩類。有源WGM微腔傳感器可以同時(shí)對(duì)信號(hào)進(jìn)行遠(yuǎn)程激勵(lì)，探測(cè)和收集，無需光學(xué)耦合器件來傳導(dǎo)光信號(hào)，具有無源微腔傳感器所不具備的優(yōu)點(diǎn)。然而，有源WGM微腔傳感器大多由摻染料的有機(jī)聚合物材料光刻而成，不可避免地由于制備工藝而導(dǎo)致微腔表面粗糙，降低Q值，提高激光閾值；而較大的泵浦功率會(huì)帶來明顯的熱作用，加快染料漂白速度，降低微腔的穩(wěn)定性，從而限制了有源微腔傳感器的探測(cè)精度。

超靈敏雙曲面鼓形微腔激光生物傳感器示意圖及與不同光學(xué)生物傳感器對(duì)比

針對(duì)上述問題，合作團(tuán)隊(duì)以高Q值二氧化硅微盤腔為骨架、以摻羅丹明B的光刻膠（SU-8）為增益介質(zhì)，制備出復(fù)合型雙曲面鼓型微腔激光器。由于SU-8膠體在固化時(shí)的表面張力作用，形成了光滑的微腔表面，保證微腔的高Q值（>105），降低了激光產(chǎn)生的閾值，從而有效地減小了泵浦光的熱作用和染料漂白對(duì)傳感的影響；另一方面，帶有楔角的微腔形貌會(huì)進(jìn)一步壓縮回音壁光學(xué)模式的模場(chǎng)，增大光與物質(zhì)相互作用，從而提高傳感器的靈敏度。項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)利用雙曲面鼓型微腔激光器進(jìn)行無標(biāo)記的生物分子檢測(cè)，在磷酸鹽緩沖液（phosphate buffer saline, PBS）下實(shí)現(xiàn)對(duì)牛血清白蛋白（bovineserum albumin, BSA）非特異性檢測(cè)和人免疫球蛋白（immunoglobulin G, IgG）的特異性檢測(cè)；在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步演示在復(fù)雜的環(huán)境下（人工血清），該生物傳感器對(duì)人IgG的特異性檢測(cè)能力。目前，傳感器非特異性檢測(cè)BSA的探測(cè)極限達(dá)到4.5 ag mL-1 (0.07 aM)，對(duì)人IgG特異性檢測(cè)的探測(cè)極限為9 ag mL-1（0.06 aM），動(dòng)態(tài)測(cè)量范圍為14個(gè)數(shù)量級(jí)，達(dá)到無標(biāo)記光學(xué)生物分子特異性檢測(cè)的國(guó)際領(lǐng)先水平。

該研究工作得到了科技部國(guó)家重點(diǎn)技術(shù)研發(fā)計(jì)劃專項(xiàng)、國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年項(xiàng)目、上海市科委基礎(chǔ)研究項(xiàng)目和科技部973項(xiàng)目資助。