在生物傳感領(lǐng)域，探測(cè)到單個(gè)分子甚至單個(gè)原子是科學(xué)家長(zhǎng)期追逐的極限目標(biāo)。回音壁模式（WGM）微激光器是當(dāng)前的光學(xué)傳感平臺(tái)之一，光在微小球形或環(huán)形腔體內(nèi)壁反復(fù)全反射，形成的光局域場(chǎng)，對(duì)周圍環(huán)境的細(xì)微變化極為敏感。然而，無論是微球還是微環(huán)，即便結(jié)合了等離子體納米顆粒進(jìn)行近場(chǎng)增強(qiáng)，現(xiàn)有的無源WGM傳感器對(duì)單個(gè)化學(xué)物種的單分子探測(cè)仍是一大難題。

       有源WGM傳感器的靈敏度理論上應(yīng)優(yōu)于無源傳感器。但在實(shí)際應(yīng)用中液相操作面臨熱噪聲、激光波動(dòng)和環(huán)境不穩(wěn)定性等問題。此外，在生物傳感應(yīng)用中，如何從背景噪聲中識(shí)別單分子相互作用引起的微激光器頻率微擾，仍是實(shí)驗(yàn)技術(shù)上的一大難題。這些問題制約了與單分子相互作用相關(guān)的極小WGM波長(zhǎng)偏移的探測(cè)。

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置與微激光模式分裂

       等離激元近場(chǎng)增強(qiáng)。研究者將長(zhǎng)度67 nm、直徑10 nm的金納米棒沉積于摻鐿（Yb3?）二氧化硅微球表面。金納米棒在共振激發(fā)條件下，能夠?qū)⒐鈭?chǎng)高度壓縮于其，形成的局域電磁“熱點(diǎn)"。這一效應(yīng)將系統(tǒng)的有效模式體積壓縮了約1000倍，對(duì)應(yīng)地將腔體對(duì)單粒子的頻率響應(yīng)放大了同等量級(jí)，從而將原本不可探測(cè)的微弱相互作用提升至可測(cè)水平。

       有源激光腔的超窄線寬優(yōu)勢(shì)。區(qū)別于傳統(tǒng)的被動(dòng)式WGM傳感器，該平臺(tái)以摻鐿微球作為激光增益介質(zhì)，由972 nm泵浦激光驅(qū)動(dòng)，在1030至1100 nm波段實(shí)現(xiàn)連續(xù)波激光振蕩。有源腔體的激光線寬遠(yuǎn)低于無源諧振腔的被動(dòng)線寬，使系統(tǒng)具備fm（10?1? m）量級(jí)的頻率分辨能力，這一能力為捕捉單離子引起的極微小頻率擾動(dòng)奠定了基礎(chǔ)。

       分裂模式自外差拍頻讀出。金納米棒附著于微球表面后，引發(fā)腔內(nèi)瑞利背向散射，使原本簡(jiǎn)并的順時(shí)針與逆時(shí)針行波模式耦合分裂，形成兩個(gè)頻率略有差異的駐波模式（SWM?與SWM?）。兩模式的差頻在光電探測(cè)器上形成數(shù)十兆赫茲量級(jí)的拍頻信號(hào)。當(dāng)分析物進(jìn)入納米棒熱點(diǎn)區(qū)域時(shí)，兩個(gè)模式發(fā)生幅度不等的頻率偏移，拍頻隨之改變。這一差分讀出方案的核心優(yōu)勢(shì)在于：熱漂移、泵浦激光波動(dòng)等共模噪聲在差分過程中被自動(dòng)抵消，系統(tǒng)的有效信噪比得到顯著提升。

圖2 單生物分子和原子離子傳感。（a）50nM GABA的檢測(cè)結(jié)果。（b）Zn2?離子檢測(cè)的瞬態(tài)脈沖信號(hào)。（c）Cd2?離子檢測(cè)的瞬態(tài)脈沖信號(hào)。（d）（e）為（b）和（c）所示感測(cè)痕跡放大視圖。（f）簡(jiǎn)化示意圖，說明一個(gè)金納米棒如何貢獻(xiàn)于一個(gè)獨(dú)特的感應(yīng)信號(hào)

       GABA單分子探測(cè)。在濃度50nM的γ-氨基丁酸（GABA）溶液中，傳感器清晰記錄到兩類事件：分子結(jié)合納米棒時(shí)產(chǎn)生的階躍信號(hào)，以及分子短暫停留后離去所產(chǎn)生的尖峰信號(hào)。

圖3 瞬態(tài)離子-納米棒相互作用與尖峰模式分析

       Zn2?單離子探測(cè)。鋅離子是具有重要生理意義的二價(jià)過渡金屬離子，其質(zhì)量約65原子質(zhì)量單位，遠(yuǎn)低于此前任何光學(xué)傳感方法所探測(cè)過的目標(biāo)。實(shí)驗(yàn)在5 mM CsCl背景緩沖液中分別引入2.5、10、35 μM濃度的Zn2?，均觀察到清晰的拍頻尖峰信號(hào)，平均偏移幅度約為3.7 fm，背景噪聲峰峰值僅約1 fm。

圖4 雙拍頻信號(hào)中重合尖峰幅值

       Cd2?單離子探測(cè)。鎘離子具有比鋅離子更高的極化率，理論上傳感器對(duì)其應(yīng)產(chǎn)生更強(qiáng)的傳感響應(yīng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與預(yù)期吻合：在5 μM Cd2?溶液中，平均拍頻偏移7.2 fm，約為Zn2?的兩倍；事件速率高達(dá)3.8個(gè)/秒，背景噪聲峰峰值僅約0.4 fm，信號(hào)質(zhì)量?jī)?yōu)異。雙拍頻通道的協(xié)同分析揭示了鎘離子的傳感主要由單根納米棒主導(dǎo)，而鋅離子則涉及至少兩根納米棒的貢獻(xiàn)，體現(xiàn)了該平臺(tái)對(duì)傳感微觀機(jī)制的精細(xì)分辨能力。

       研究者對(duì)信號(hào)的物理來源進(jìn)行了深入分析。按照經(jīng)典腔體微擾理論，單個(gè)原子離子的極化率所能引起的WGM頻移極其微小，遠(yuǎn)低于實(shí)驗(yàn)觀測(cè)值。要彌合這一差距，需要約1000倍的額外局域場(chǎng)增強(qiáng)。研究者提出，這一額外增強(qiáng)很可能來自金納米棒固有表面粗糙度在原子尺度形成的“皮腔效應(yīng)"，即在納米棒表面原子級(jí)突起處產(chǎn)生的場(chǎng)局域，模式體積可壓縮至單個(gè)原子尺度。這一機(jī)制已在近年室溫單分子強(qiáng)耦合實(shí)驗(yàn)中得到初步證實(shí)。

       此外，實(shí)驗(yàn)中未觀察到背景緩沖液離子引起的噪聲增加，說明傳感器并非對(duì)所有離子無差別響應(yīng)，而是具有一定的表面化學(xué)選擇性——納米棒的表面狀態(tài)決定了哪些離子能夠被有效探測(cè)及其相互作用動(dòng)力學(xué)。

       這項(xiàng)工作將光學(xué)傳感的質(zhì)量探測(cè)極限從生物大分子推進(jìn)至單個(gè)原子離子的層次，驗(yàn)證了等離激元增強(qiáng)與激光腔體讀出相結(jié)合這一技術(shù)路線的可行性，并為原子尺度的實(shí)時(shí)化學(xué)與生物傳感開辟了新的研究方向。在潛在應(yīng)用方面，Zn2?、Cd2?等金屬離子在細(xì)胞信號(hào)轉(zhuǎn)導(dǎo)、酶催化調(diào)控及重金屬毒理學(xué)中具有重要地位，對(duì)其單離子動(dòng)力學(xué)行為的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，將為相關(guān)領(lǐng)域提供的研究手段。研究者進(jìn)一步展望，將PE-WGM微激光器制成可植入微珠，借助全內(nèi)反射光路耦合提取激光拍頻信號(hào)，有望最終實(shí)現(xiàn)活體內(nèi)的單分子實(shí)時(shí)傳感。

參考文獻(xiàn)： 中國(guó)光學(xué)期刊網(wǎng)

您好，可以免費(fèi)咨詢技術(shù)客服[Daisy]

 筱曉(上海)光子技術(shù)有限公司

歡迎大家給我們留言，私信我們會(huì)詳細(xì)解答，分享產(chǎn)品鏈接給您。

免責(zé)聲明：

資訊內(nèi)容來源于互聯(lián)網(wǎng)，不代表本網(wǎng)站及新媒體平臺(tái)贊同其觀點(diǎn)和對(duì)其真實(shí)性負(fù)責(zé)。如對(duì)文、圖等版權(quán)問題存在異議的，請(qǐng)聯(lián)系我們將協(xié)調(diào)給予刪除處理。行業(yè)資訊僅供參考，不存在競(jìng)爭(zhēng)的經(jīng)濟(jì)利益。