A。电信光纤上的亚单层回音壁生物激光器。b.灵敏度是增益分子表面密度的函数。C。四种生物激光器的传感性能比较。图片来源：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且一次性的生物传感器仍然是一个重大挑战。中国科学家发明了光纤亚单层激光器作为超灵敏一次性生物传感器。

与饱和单层激光器相比，检测下限(LOD)提高了六个数量级。他们展示了一种针对帕金森病生物标志物α-突触核蛋白(α-syn)的超灵敏免疫测定法，血清中的LOD较低为0.32pM。

在癌症和痴呆等疾病表现出严重的、不可逆转的症状之前及早发现它们，对于公共卫生具有重要意义，有助于降低发病率和死亡率。在疾病的早期阶段，精确估计极低浓度的生物标志物是很困难的。

在过去的二十年中，光学微腔已发展成为一种强大的平台，用于放大具有强腔反馈的光信号，并且已广泛用于生物分析。然而，对于一次性生物传感器来说，对精细制造程序和基本耦合要求的强烈依赖是非常不可取的。

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原教授带领的科学家团队在《Light:Science&Applications》上发表了一篇新论文中国成都的中国科技大学及其同事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。

他们通过使用光纤微腔，以可忽略不计的成本实现了亚单层生物激光器的大规模生产，这些光纤微腔分布在10公里的非凡长度上，并且具有106的超高Q因子。与无源微腔形成鲜明对比的是，亚单层生物激光器的泵浦和检测可以通过自由空间光学方便地进行，这消除了对关键波导耦合的依赖，更重要的是，使得能够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至阈值密度，他们证明，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。

该团队还证明他们的亚单层生物激光器有可能用于临床诊断。他们利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0.32pM的较低LOD。这一结果比帕金森病患者血清中的α-syn浓度低大约三个数量级。所提出的方法在具有终极灵敏度的高通量临床诊断中提供了巨大的潜力。

科学家们总结了亚单层生物激光器的机制，他们说：“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。这种现象可以通过增益分子在激光作用中的贡献来解释。”

“例如，当10,000个增益分子参与激光发射时，每个分子的平均贡献为1/10,000。一旦我们将增益分子减少到100个，每个分子的平均贡献将增加到1/100。一种分析物的结合光纤上的分子会增加一个增益分子的结合位点。因此，增益分子较少的[a]生物激光器可以预期获得更高的灵敏度。

“我们选择商用光纤作为微腔来证明这一假设。光纤的几何形状和表面特性在光纤拉丝过程中得到了很好的控制。光纤可以被视为具有高度可重复性能的分布式微腔。

“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。亚单层激光器是用约2厘米的光纤段制造的长，相当于约0.01美元的可忽略不计的成本。

“亚单层生物激光是一种通用传感平台，可用于检测各种类型的生物标志物。具有超高灵敏度的一次性激光生物传感器可以实现对重大疾病的经济高效的早期诊断。”

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