隨著（類）器官芯片等技術的發展及其藥篩應用，以及分子尺度細胞生物學基礎研究的深入，越來越需要針對單個（干）細胞或單個類器官細胞團簇的代謝等過程，進行快速分子檢測，乃至實時在線生化監測。尤其是對蛋白質等生物大分子的連續、實時、在線而又特異識別的定量傳感和檢測，一直以來是有挑戰的。其原因很大程度在于：包括光學、電學、機械等各種換能機制的各類已有生物大分子傳感器，要實現特異識別，基本仍依賴耗時復雜的表面修飾，這是這些生物大分子傳感器仍有多種功能限制和性能不足的根源之一。例如，全程傳感測定費時、可檢測分子尺寸受限、非特異吸附干擾等等；尤其是，限制了其對生物大分子的在線、連續乃至動態實時的特異識別傳感分析，大部分須“用后即拋”。

很多生物分子測定技術如經典的酶聯免疫吸附測定（ELISA）等，以光作為信息載體，基于光吸收比色、熒光發射、吸收或散射光譜等方式，實現蛋白等生物大分子的特異識別后的換能傳感。近年來，光學微腔如回音壁模式（WGM）、光子晶體以及法布里-珀羅（Fabry-Pérot microcavity，F-P）腔等，由于高品質因子（Q）和對光學構型或界面光學參數變化的高靈敏度等優勢，成為各類物理、化學和生物傳感器的理想構型。其中，光流控WGM微泡腔傳感器被廣泛應用于生物傳感器研究，并實現了超低濃度的生物分子特異性檢測。然而，目前絕大部分生物光學傳感器，尤其是基于免疫吸附等特異性識別的生物大分子光傳感器，很大程度上依賴光學界面的探針分子表面修飾來實現特異識別能力，而仍難突破上述技術藩籬和挑戰。

圖1 三種常見的光學微腔結構及光流控WGM微泡生物傳感器原理示意圖

針對上述問題，為了構建一個針對單個（干）細胞或單個類器官細胞團簇的代謝等過程分析集成的檢測平臺，復旦團隊近日研發了一種免修飾、高靈敏和高品質因子光流控法布里-珀羅型微腔生物傳感器，這種傳感器可以檢測超低濃度（~ fg/ml）的生物分子構象變化過程，在類器官或單細胞衍生物分析、分子構象、臨床醫學、疫病診斷等領域具有廣闊的應用前景。選用的無源傳感方案，不需要對生物分子進行標記，不僅避免了熒光染料的光漂白問題，更便于與類器官或單細胞衍生物芯片系統相集成，實現實時在線動態檢測和重復性利用。然而，無源F-P光學微腔存在無法對腔內的模場進行有效約束及兩面反射鏡無法保證高度平行而引入光學走離損耗等問題，致其Q值較低。因此，盡管無源F-P光學微腔具有很高的傳感靈敏度，其低Q值導致光譜分辨率較低。該團隊在研究光流控微泡生物傳感器的過程中發現，微泡具有微透鏡效應，且對光場具有很強的約束能力；在此基礎上，研究團隊利用這一透鏡效應對F-P微腔內光場進行三維“裁剪”，證明微泡透鏡不僅可以縮小微腔的模式體積（~ 6倍），而且能有效地減小腔鏡傾斜角（容差高達5°）引起的光學走離損耗，從而實現高達10?的Q值；此外，微泡的中空結構為生物分子的檢測提供傳輸通道，實現較強的光-物質作用，使其體折射率傳感靈敏度可達679 nm/RIU（@950 nm），比傳統的光流控微泡腔傳感器高約50倍。

研究團隊對F-P型光流控微腔生物傳感器的折射率探測極限進行了表征，最終實驗上可探測到的體折射率差（Δn）低至10?? RIU；在此基礎上，研究團隊分別對免疫組分（人免疫球蛋白）和代謝組分（人血清白蛋白）的生物分子進行了無修飾、在線實時檢測。與基于表面倏逝場傳感機制的光學生物傳感不同，該傳感器檢測的是溶液中由于生物分子特異性結合引起的體折射率變化。目前可實現5 fg/mL的人免疫球蛋白和0.5 pg/mL的人血清白蛋白超低濃度檢測。相比于現有的分子構象檢測技術（如圓二色譜、光學吸收譜等），F-P型光流控微腔生物傳感器不僅能實時監測超低濃度分子構象的變化過程，而且只需要微量（~ 60 μL）的溶液體積。這項工作為今后在體內或體外（如單細胞或類器官的動態代謝物分析）進行在線、集成和動態生物分子分析提供了一條新的技術路線。

圖2 三維構型法布里-珀羅光流控微腔生物傳感器示意圖

相關研究成果以“Highly sensitive, modification-free, and dynamicreal-time stereo-optical immuno-sensor”為題于近期發表在國際知名學術期刊Biosensors and Bioelectronics上。復旦大學光科系趙旭陽為該論文的第一作者，吳翔和孫允陸為論文的通訊作者，西南技術物理研究所王浟團隊參與該項工作；研究團隊感謝中國科學院上海微系統與信息技術研究所趙建龍/吳蕾團隊的幫助。該研究工作得到了中國科學院戰略重點研究計劃、國家自然科學基金、上海市自然科學基金、中國北方工業集團有限公司激光器件技術重點實驗室開放基金和上海市浦江項目的支持。

審核編輯：劉清