研究人员开发了一种用于高灵敏度片上生物检测的3D微打印传感器。该传感器基于聚合物回音壁模式微激光器，为开发用于疾病早期诊断的高性能、低成本芯片实验室设备开辟了新机会。
“未来，这些回音壁模式微激光传感器可集成到微流控芯片中，实现新一代用于超灵敏定量检测多种生物标志物的芯片实验室设备。”研究团队负责人A. Ping Zhang表示，“这可用于癌症、阿尔茨海默病等疾病的早期诊断，或应对如COVID-19大流行等重大健康危机。”
在Optica出版集团期刊《光学快报》上，研究人员描述了新型微激光传感器设计。该设计克服了将此类传感器集成到可用于即时医疗检测的芯片实验室系统中的诸多难题。研究还表明，传感器独特的蜗牛形盘状微腔能够检测极低浓度的人免疫球蛋白G——一种血液及其他体液中常见的抗体。
“这款创新微激光传感器的实现得益于我们自主研发的3D微打印技术。”Zhang说，“它能快速打印特殊设计的3D回音壁模式微腔，并对悬空微盘进行高精度修整。”
将微激光传感器集成到芯片上
光学回音壁模式微激光传感器通过将光束缚在微小微腔中工作。当目标分子与微腔结合时，会引起激光频率的微小变化，从而实现高灵敏度生物检测。
在实际应用中使用这些传感器的一个挑战是，将光耦合到传感器中通常需要直径小于2微米的锥形光纤。这种极细的光纤难以对准，且易受各种环境干扰。这成为将此类微激光传感器集成到用于实时、高灵敏度生物分子检测的芯片实验室设备中的障碍。
利用微激光传感器自身发射的光作为替代方案是有前景的，但传统回音壁模式微激光器的圆形微腔使得有效收集光变得困难。这限制了传感器信号的读取质量。
打印精密生物传感器
为解决此问题，研究人员设计了一种带有蜗牛形悬空微盘的回音壁模式微激光传感器。该设计赋予传感器低激光阈值并产生定向光发射，提高了效率并使片上集成更加实用。
利用自主研发的高分辨率、高灵活性3D微打印技术，研究人员能够快速打印出回音壁模式微激光生物传感器阵列。实验表明，这些生物传感器具有低至3.87 μJ/mm²的极低激光阈值和约30 pm的窄激光线宽。传感器能够检测到极限仅为阿克每毫升的IgG，展示了其在疾病早期诊断所用生物标志物超低检测方面的潜力。
接下来，研究人员计划将微激光传感器集成到微流控芯片中，开发可用于同时快速定量检测多种疾病生物标志物的光流控生物芯片。
此项工作得到中国香港特别行政区研究资助局的支持。FINISHED
