亚单层生物激光器:低增益，高灵敏度

a.电信光纤上的亚单层低语廊生物激光器。b.灵敏度作为增益分子表面密度的函数。c.四种生物激光器传感性能的比较。学分:光:科学与应用(2023)。DOI: 10.1038/s41377-023-01335-8设计用于早期诊断的灵敏和一次性生物传感器仍然是一个重大挑战。中国科学家在光纤上发明了亚单层激光器，作为超灵敏的一次性生物传感器。与饱和单层激光器相比，检测下限(LOD)提高了6个数量级。他们展示了对帕金森病生物标志物α-突触核蛋白(α-syn)的超灵敏免疫测定，血清中的LOD较低，为0.32 pM。在癌症和痴呆症等疾病出现严重、不可逆转的症状之前及早发现，对公共卫生具有重大意义，并有助于降低发病率和死亡率。在疾病的早期，精确估计极低浓度的生物标志物是困难的。

近二十年来，光学微腔已发展成为一种具有强腔反馈的放大光信号的强大平台，并已广泛用于生物分析。然而，对于一次性生物传感器来说，高度依赖于精细的制造过程和基本的耦合要求是非常不可取的。

成都电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室龚元教授及其同事在《光科学与应用》杂志上发表的一篇新论文中，开发了光纤上的亚单层生物激光器，作为超灵敏的一次性生物传感器。

他们通过使用分布在10公里长的光纤微腔，并具有106的超高q因子，实现了亚单层生物激光器的大规模生产，成本可以忽略不计。与被动微腔形成鲜明对比的是，亚单层生物激光器的抽运和检测可以通过自由空间光学方便地进行，从而消除了对临界波导耦合的依赖，更重要的是，可以开发具有超高灵敏度的一次性生物传感器。

更令人惊讶的是，通过将增益分子降低到阈值密度，他们证明了与单层生物激光器相比，亚单层生物激光器的检测下限(LOD)提高了六个数量级。

该团队还证明了他们的亚单层生物激光器可以潜在地用于临床诊断。他们使用亚单层生物激光器检测血清中的帕金森病(PD)生物标志物，并获得了0.32 pM的较低LOD。该结果比帕金森病患者血清α-syn浓度低约3个数量级。该方法具有极高的灵敏度，在高通量临床诊断中具有很大的潜力。

a.血清中质量和一次性免疫测定示意图。b.缓冲液(红色)和血清(蓝色)中-syn检测的校准曲线。学分:光:科学与应用(2023)。DOI: 10.1038/s41377-023-01335-8科学家们总结了亚单层生物激光器的机制，“我们发现光学增益略高于激光阈值的亚单层生物激光器具有最高的灵敏度。这种现象可以用增益分子对激光作用的贡献来解释。

“例如，当10,000个增益分子参与激光时，每个分子的平均贡献是1/10,000。一旦我们将增益分子减少到100，每个分子的平均贡献将增加到1/100。一个分析物分子在光纤上的结合将为另一个分子增加一个更多的结合位点。因此，使用较少增益分子的[a]生物激光器可以获得更高的灵敏度。“我们选择商用光纤作为微腔来证明这一假设。在拉伸过程中对光纤的几何形状和表面性能进行了很好的控制。光纤可视为具有高度可复制性能的分布式微腔。

“同时，光纤的价格非常低，使得一次性传感器成为可能。例如，我们实验中使用的SMF-28e光纤的价格约为每米0.5美元。亚单层激光器由约2厘米长的光纤段制成，成本约为0.01美元，可以忽略不计。

“亚单层生物激光器是一种通用传感平台，可用于检测各种生物标志物。这种基于激光的一次性生物传感器具有超高灵敏度，可以实现成本效益和重大疾病的早期诊断。"