新型光學技術：有望改善生物感測器，用於癌症早期檢測！

導讀

近日，中國哈爾濱工業大學領導的科研團隊開發出一種將光線注入到硅微盤中的創新方法，可降低成本並改善晶元基生物感測器的性能，並最終帶來用於癌症早期診斷的低成本攜帶型光學感測器。

背景

英國倫敦聖保羅大教堂迴音廊給人留下了深刻印象。通過迴音廊，即使遠處的低聲耳語，也可以聽得很清楚。其實，其中的物理原理很簡單，就是聲波會沿著彎曲光滑的牆面不斷反射，在傳播過程中的衰減很小。

（圖片來源：維基百科）

然而，與「聲學迴音廊」的效果類似，筆者曾介紹過美國賓夕法尼亞州立大學開發的「光學迴音廊」模式的諧振器。這種諧振器可以將光線沿著微型小球的圓周旋轉數百萬次，從而創造出一種晶元基超靈敏感測器，其用途非常廣泛。

（圖片來源：參考資料【2】）

然而，微盤也是一種微型諧振器，它採用「迴音廊光學效應」囚禁並改善進入盤中的光線。與迴音廊的效果類似，微盤的弧形內表面可以攜帶光波穿越微盤，從而增強光線。這將使得微盤能增強來自細胞、蛋白質和病毒的光基信號，帶來針對狼瘡、纖維肌痛、特定心臟問題等疾病相關微妙變化的更加靈敏的檢測。

創新

在定點照護（point of care）中檢測癌症和其他疾病，需要實用的晶元基感測器。中國哈爾濱工業大學領導科研團隊開發出一種將光線注入到硅微盤中的創新方法，可降低成本並改善晶元基生物感測器的性能，從而滿足以上需求。這一進展最終將帶來用於癌症早期診斷的低成本攜帶型光學感測器。

中國哈爾濱工業大學的宋青海（Qinghai Song）教授是團隊的領頭人，他說：「雖然迴音廊模式的微諧振器已經能用於分解單分子，但是其應用卻受到了設備可重複性、穩定性、波長範圍方面的問題的限制。我們的新型設計帶來了優異的設備性能，能以低成本、高穩定性、更好的設備可重複性，工作於一系列波長。」

在美國光學會高影響力研究雜誌《Optica》上，研究人員詳細描述了他們的新型端射注入（end-fire injection）配置，它為光線進入微盤諧振器提供了一種簡單、低成本、高效的途徑。他們展示的設備採用微盤和端射注入，可用於檢測溫度變化以及納米顆粒的存在。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

技術

大部分的微盤設計都採用一種光學現象，稱為「倏逝光耦合」，將光線間接地注入到微盤中。然而，這個方法需要在波導和微盤之間有著非常精準地對齊，因此會增加製造成本並使得設備容易受到穩定性問題的影響。

研究人員的端射注入技術採用直接連接到微盤邊緣的波導。雖然完全垂直於微盤邊緣的光線將在界面上反彈，但是採用角度略小於垂直的光線，將產生一種反直覺現象，也稱為「激光時間反轉」，它將創造出一種吸收而不是發射光線的激光器，使得光線有效地進入微盤。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

Song 表示：「因為這個配置不需要任何小於500納米的部件，所以它可以通過低成本的技術來製造。」

為了測試他們的設計，研究人員製造出一種設備，其中包含了一個與波導相連接的半徑為5微米的微盤。為了測量端射注入，他們結合了一個Y分光器，使得光線穿過分光器注入到微盤中，然後沿著同樣的波導從微盤中傳輸出來。從Y結出來的光譜記錄顯示，光線能以高達57%的效率耦合到微盤中。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

價值

研究人員的最終目標，是採用新型端射注入技術，創造出低成本攜帶型感測器來檢測細胞中的變化，這些變化可能是癌症的早期信號。然而，他們指出，新型光耦合配置也可用於光子通信集成電路及一系列的感測器，例如用於國土安全或者環境檢測的那些。

他們也展示了表現出高Q因子的設備。Q因子可以衡量微盤囚禁和增強光線的效果。此外，即使存在例如波導寬度從400納米增至700納米的製造偏差，設備仍可以保持良好的性能參數。

Song 表示：「我們展示的端射注入技術的性能可與傳統的微盤相媲美，但是魯棒性更好而且低成本更低。總體來說，我們的研究成果顯示，微盤目前已經準備好商用。」

研究人員也展示了集成微盤和端射注入的感測器，可檢測多個大型納米顆粒以及小到30納米的單個納米顆粒的存在。他們對於採用約40納米到100納米的細胞衍生微泡檢測癌症感興趣。基於這些研究成果，這種檢測將變得有可能。

未來

研究人員正在努力研究採用端射注入技術的設備的其他部件，創造出低成本攜帶型感測器，從而檢測癌症的早期信號。

關鍵字

感測器、癌症、光學、諧振器、晶元

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/innovative_light-delivery_technique_improves_biose/

【2】Chenchen Zhang, Alexander Cocking, Eugene Freeman, Zhiwen Liu, Srinivas Tadigadapa. On-Chip Glass Microspherical Shell Whispering Gallery Mode Resonators. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-14049-w

【3】S.
Liu, W. Sun, Y. Wang, X. Yu, K. Xu, Y. Huang, S. Xiao, Q. Song,
「End-fire Injection of Light into High-Q Silicon Microdisks,」 Optica,Volume 5, Issue 5, 612-616 (2018).

DOI: 10.1364/OPTICA.5.000612

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