近日，南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副院長(zhǎng)、電子與電氣工程系研究員邵理陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，研究成果以“High-resolution tumor marker detection based on microwave photonics demodulated dual wavelength fiber laser sensor”為題，正式發(fā)表于國(guó)際光電子領(lǐng)域頂級(jí)期刊Opto-Electronic Advances。該研究首創(chuàng)性提出基于微波光子解調(diào)的雙波長(zhǎng)光纖激光生物傳感系統(tǒng)，將腫瘤標(biāo)志物檢測(cè)靈敏度提升2-3個(gè)數(shù)量級(jí)，為癌癥早期篩查建立了突破性技術(shù)方案。

雙波長(zhǎng)激光信號(hào)的同步激光光譜分析與微波光子解調(diào)系統(tǒng)

在全球癌癥負(fù)擔(dān)持續(xù)加重背景下，血清腫瘤標(biāo)志物的早期精準(zhǔn)檢測(cè)已成為臨床醫(yī)學(xué)關(guān)鍵需求。傳統(tǒng)光纖傳感器受限于波長(zhǎng)解調(diào)機(jī)制，在檢測(cè)分辨率與檢測(cè)下限面臨技術(shù)瓶頸。研究團(tuán)隊(duì)指出，現(xiàn)有技術(shù)存在三大核心挑戰(zhàn)：納米功能化修飾導(dǎo)致傳感器響應(yīng)穩(wěn)定性下降、復(fù)雜生物樣本易引起非特異性吸附干擾、微弱折射率變化難以被常規(guī)光譜手段捕獲。

針對(duì)上述挑戰(zhàn)，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)了一種微納套索結(jié)構(gòu)光纖傳感器，并與光纖Bragg光柵并聯(lián)，構(gòu)建了雙波長(zhǎng)激光輸出系統(tǒng)。通過(guò)搭建基于色散時(shí)延的微波光子解調(diào)光路，實(shí)現(xiàn)了對(duì)雙波長(zhǎng)激光傳感信號(hào)的高效解調(diào)。在實(shí)驗(yàn)中，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了三種不同的解調(diào)方案，包括激光光譜波長(zhǎng)變化量分析、微波光子解調(diào)頻譜的FSR減小量分析以及頻譜最大Notch頻率的減小量分析。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，該激光傳感系統(tǒng)基于激光波長(zhǎng)解調(diào)的折射率靈敏度為1083 nm/RIU，而采用微波光子解調(diào)技術(shù)的 FSR 減小量分析與最大Notch頻率減小量分析的折射率靈敏度分別達(dá)到了-535.56 GHz/RIU和-1902 GHz/RIU，檢測(cè)分辨率提升了2-3個(gè)數(shù)量級(jí)。與其他已發(fā)表的光纖傳感技術(shù)相比，該傳感系統(tǒng)在折射率檢測(cè)中表現(xiàn)出更高的靈敏度、分辨率和檢測(cè)精度。

為驗(yàn)證傳感器的生物傳感性能，團(tuán)隊(duì)選擇CEACAM5作為目標(biāo)檢測(cè)物。在PBS緩沖液中的測(cè)試結(jié)果表明，基于微波光子解調(diào)的傳感系統(tǒng)檢測(cè)下限低至0.076 ng/mL，比傳統(tǒng)激光光譜波長(zhǎng)解調(diào)方案提升了1個(gè)數(shù)量級(jí)。對(duì)人血清樣本的測(cè)試進(jìn)一步驗(yàn)證了該系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值，三種實(shí)驗(yàn)方案均能準(zhǔn)確區(qū)分不同人血清樣本中標(biāo)志物含量的差異，與醫(yī)院臨床數(shù)值相符。

圖1 折射率檢測(cè)過(guò)程中的三種解調(diào)方案的結(jié)果：(a) 不同RIs溶液中的雙波長(zhǎng)激光光譜; (b) 激光波長(zhǎng)與RI的擬合關(guān)系; (c) 不同RIs溶液的射頻頻譜; (d) 隨RI變化的FSR響應(yīng)及其擬合曲線; (e) RI的第4陷波頻率響應(yīng)及其擬合曲線。

該技術(shù)已通過(guò)深圳三甲醫(yī)院臨床樣本驗(yàn)證，適用于大規(guī)模篩查，具備產(chǎn)業(yè)化潛力。國(guó)際同行評(píng)審認(rèn)為：“這項(xiàng)研究為光纖生物傳感開(kāi)辟了新維度，首次實(shí)現(xiàn)微波光子學(xué)與臨床檢測(cè)的深度融合，可能重塑癌癥早篩技術(shù)格局。”

審核編輯 黃宇