3D打印微型激光传感器，提供超强生物传感功能
2025-05-26 13:32:02 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发出一种用于高灵敏度片上生物传感的3D打印微型激光传感器。该传感器基于聚合物WGM微型激光器，为开发面向早期疾病诊断的高性能、高成本效益芯片实验室器件提供了新机遇。
光学回音壁模式（WGM）微型激光传感器因其独特的优势（包括强大的光-物质相互作用和多种传感模式），在生物传感领域备受关注。然而，开发面向芯片实验室（lab-on-chip）应用的大规模集成传感器平台构建模块——WGM微型激光传感器方面仍存在挑战。
据麦姆斯咨询介绍，香港理工大学和广东工业大学的研究人员开发出一种用于高灵敏度片上生物传感的3D打印微型激光传感器。该传感器基于聚合物WGM微型激光器，为开发面向早期疾病诊断的高性能、高成本效益芯片实验室器件提供了新机遇。
创新的聚合物WGM微型激光传感器更容易集成到芯片实验室器件中，实现早期疾病诊断
来自香港理工大学的研究团队负责人A. Ping Zhang说：“未来，这些WGM微型激光传感器可以集成到微流控芯片中，从而实现新一代的芯片实验室器件，对多种生物标志物进行超灵敏的定量检测。该技术有望用于癌症和阿尔茨海默病等疾病的早期诊断，或用于对抗重大健康危机，如COVID-19大流行等。”
上述研究成果已经以“3D micro-printed polymer limacon-shaped whispering-gallery-mode microlaser sensors for label-free biodetection”为题发表在《光学快报》（Optics Letters）期刊上。在论文中，研究人员介绍了他们开发的微型激光传感器设计，该设计克服了许多现有难题。正是这些难题使这类传感器难以集成到面向即时诊断应用的芯片实验室系统中。
研究人员还表明，该传感器独特的Limacon形圆盘微腔能够检测浓度极小的人类免疫球蛋白G（IgG），这是一种存在于血液和其它体液中的常见抗体。
“这种创新的微型激光传感器之所以能够问世，得益于我们的内部3D微打印技术。”Zhang说，“该技术能够快速打印专门设计的3D WGM微腔，并对悬浮微盘进行高精度修剪。”
3D微打印Limacon形WGM微腔扫描电子显微镜图像，（i）微腔阵列；（ii）单个微腔的放大俯视图；（iii）单个微腔的放大侧视图（视角为80°）。
在芯片上集成微型激光传感器
这种光学WGM微型激光传感器通过在微小的微腔中捕获光线来工作。当目标分子与腔体结合时，会引起激光频率的轻微变化，从而实现高灵敏度的生物检测。
在实际应用中使用这种传感器所面临的一个挑战是，将光线耦合到传感器中通常需要直径小于2 μm的锥形光纤。这种微小的光纤很难对准，而且容易受到各种环境干扰的影响。这就阻碍了将这种微型激光传感器集成到芯片实验室器件中，以用于实时、高灵敏度地检测生物分子。
利用微型激光传感器本身发出的光线，而不是通过锥形光纤来传输光线，是一种很有前途的替代方法，但传统的WGM微型激光器的圆形微腔很难有效地收集光线。这就限制了传感器信号的读取效果。
3D打印微型激光传感器，可用于早期疾病诊断
为了解决这个问题，研究人员设计了一种Limacon形悬浮微盘WGM微型激光传感器。这种设计使传感器具有较低的激光阈值，并能产生定向光发射，从而提高了效率，并使片上集成更加实用。
利用具有高分辨率和高灵活性优势的内部3D微打印技术，研究人员能够快速打印出WGM微型激光生物传感器阵列。
实验表明，这种激光生物传感器具有3.87 μJ/mm²的超低激光阈值和约30 pm的窄激光线宽。该传感器能够检测到IgG，检测限仅为ag/mL量级，显示了它们在早期疾病诊断超微量生物标志物检测方面的潜力。
下一步，研究人员计划将这种微型激光传感器集成到微流控芯片中，以开发可用于同时快速定量检测多种疾病生物标志物的光流体生物芯片。
论文链接：https://doi.org/10.1364/OL.557384
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