導讀

近日，中國哈爾濱工業大學領導的科研團隊開發出一種將光線注入到硅微盤中的創新方法，可降低成本并改善芯片基生物傳感器的性能，并最終帶來用于癌癥早期診斷的低成本便攜式光學傳感器。

背景

英國倫敦圣保羅大教堂回音廊給人留下了深刻印象。通過回音廊，即使遠處的低聲耳語，也可以聽得很清楚。其實，其中的物理原理很簡單，就是聲波會沿著彎曲光滑的墻面不斷反射，在傳播過程中的衰減很小。

（圖片來源：維基百科）

然而，與“聲學回音廊”的效果類似，筆者曾介紹過美國賓夕法尼亞州立大學開發的“光學回音廊”模式的諧振器。這種諧振器可以將光線沿著微型小球的圓周旋轉數百萬次，從而創造出一種芯片基超靈敏傳感器，其用途非常廣泛。

（圖片來源：參考資料【2】）

然而，微盤也是一種微型諧振器，它采用“回音廊光學效應”囚禁并改善進入盤中的光線。與回音廊的效果類似，微盤的弧形內表面可以攜帶光波穿越微盤，從而增強光線。這將使得微盤能增強來自細胞、蛋白質和病毒的光基信號，帶來針對狼瘡、纖維肌痛、特定心臟問題等疾病相關微妙變化的更加靈敏的檢測。

創新

在定點照護（point of care）中檢測癌癥和其他疾病，需要實用的芯片基傳感器。中國哈爾濱工業大學領導科研團隊開發出一種將光線注入到硅微盤中的創新方法，可降低成本并改善芯片基生物傳感器的性能，從而滿足以上需求。這一進展最終將帶來用于癌癥早期診斷的低成本便攜式光學傳感器。

中國哈爾濱工業大學的宋青海（Qinghai Song）教授是團隊的領頭人，他說：“雖然回音廊模式的微諧振器已經能用于分解單分子，但是其應用卻受到了設備可重復性、穩定性、波長范圍方面的問題的限制。我們的新型設計帶來了優異的設備性能，能以低成本、高穩定性、更好的設備可重復性，工作于一系列波長。”

在美國光學會高影響力研究雜志《Optica》上，研究人員詳細描述了他們的新型端射注入（end-fire injection）配置，它為光線進入微盤諧振器提供了一種簡單、低成本、高效的途徑。他們展示的設備采用微盤和端射注入，可用于檢測溫度變化以及納米顆粒的存在。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

技術

大部分的微盤設計都采用一種光學現象，稱為“倏逝光耦合”，將光線間接地注入到微盤中。然而，這個方法需要在波導和微盤之間有著非常精準地對齊，因此會增加制造成本并使得設備容易受到穩定性問題的影響。

研究人員的端射注入技術采用直接連接到微盤邊緣的波導。雖然完全垂直于微盤邊緣的光線將在界面上反彈，但是采用角度略小于垂直的光線，將產生一種反直覺現象，也稱為“激光時間反轉”，它將創造出一種吸收而不是發射光線的激光器，使得光線有效地進入微盤。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

宋青海表示：“因為這個配置不需要任何小于500納米的部件，所以它可以通過低成本的技術來制造。”

為了測試他們的設計，研究人員制造出一種設備，其中包含了一個與波導相連接的半徑為5微米的微盤。為了測量端射注入，他們結合了一個Y分光器，使得光線穿過分光器注入到微盤中，然后沿著同樣的波導從微盤中傳輸出來。從Y結出來的光譜記錄顯示，光線能以高達57%的效率耦合到微盤中。

（圖片來源：宋青海，哈爾濱工業大學）

價值

研究人員的最終目標，是采用新型端射注入技術，創造出低成本便攜式傳感器來檢測細胞中的變化，這些變化可能是癌癥的早期信號。然而，他們指出，新型光耦合配置也可用于光子通信集成電路及一系列的傳感器，例如用于國土安全或者環境檢測的那些。

他們也展示了表現出高Q因子的設備。Q因子可以衡量微盤囚禁和增強光線的效果。此外，即使存在例如波導寬度從400納米增至700納米的制造偏差，設備仍可以保持良好的性能參數。

宋青海表示：“我們展示的端射注入技術的性能可與傳統的微盤相媲美，但是魯棒性更好而且低成本更低。總體來說，我們的研究成果顯示，微盤目前已經準備好商用。”

研究人員也展示了集成微盤和端射注入的傳感器，可檢測多個大型納米顆粒以及小到30納米的單個納米顆粒的存在。他們對于采用約40納米到100納米的細胞衍生微泡檢測癌癥感興趣。基于這些研究成果，這種檢測將變得有可能。

未來

研究人員正在努力研究采用端射注入技術的設備的其他部件，創造出低成本便攜式傳感器，從而檢測癌癥的早期信號。

關鍵字

傳感器、癌癥、光學、諧振器、芯片

參考資料

【1】https://www.osa.org/en-us/about_osa/newsroom/news_releases/2018/innovative_light-delivery_technique_improves_biose/

【2】Chenchen Zhang, Alexander Cocking, Eugene Freeman, Zhiwen Liu, Srinivas Tadigadapa. On-Chip Glass Microspherical Shell Whispering Gallery Mode Resonators. Scientific Reports, 2017; 7 (1) DOI: 10.1038/s41598-017-14049-w

【3】S. Liu, W. Sun, Y. Wang, X. Yu, K. Xu, Y. Huang, S. Xiao, Q. Song, “End-fire Injection of Light into High-Q Silicon Microdisks,” Optica,Volume 5, Issue 5, 612-616 (2018).DOI: 10.1364/OPTICA.5.000612