一种基于光的新型传感器可能有助于使超敏感疾病检测更便携

当我们想到高度敏感的医学检测时，常常想象医院实验室里摆满大型仪器、训练有素的技术人员和严格控制的环境。这在光学生物传感中尤为重要，科学家试图检测生物分子结合传感器表面引起的极微小变化。

这些微小的变化可以传递有关疾病、治疗反应或生物功能的重要信息。但探测它们通常需要精密的光谱仪、稳定的光源和精心对齐的仪器。这使得许多先进生物感测技术在实验室中表现强大，但在较小的诊所、偏远地区或护理现场使用起来较为困难。

在我们最近发表于《自然光子学》的研究中，我们提出了一个简单的问题：我们能否让高性能无标签生物感测更小、更稳健、更易于扩展，同时不牺牲灵敏度？

故事

许多无标签光学生物传感器依赖折射传感。当分子附着在传感器表面时，局部折射率会略有变化。传统传感器通常将这种扰动检测为共振波长的偏移。这一原理强大，因为它允许研究人员在不使用荧光或放射性标记的情况下监测分子结合。

然而，信号可能非常微弱。少量生物分子可能只引起极小的波长偏移。为了测量它，传统系统通常需要高分辨率光谱仪、相干光源和精确控制的光学条件。这些要求增加了仪器的体积、成本和复杂度。

我们的方法不是取代折射率传感，而是改变折射率微扰的读取方式。

在光学谐振腔中，光不仅仅由共振出现的位置来描述。它还用光被束缚的强度、泄漏方式以及能量流失来来描述。这种行为被质量因子（Q factor）所捕捉。

我们设计的系统不仅仅追踪共振峰的位置，而是通过生物分子结合引起的微小折射率变化，强烈调节辐射Q因子。简单来说，这意味着传感器将非常小的分子扰动转化为更大规模的光学强度和线宽变化。我们称这种机制为Q调制折射传感。

关键理念是保持折射率生物感测的普遍性，但超越波长偏移的读数。我们不再仅仅将辐射损失视为抑制，而是将其设计为主动感应通道。分子结合仍会产生折射率扰动，但光学响应通过辐射Q因子调制被放大。这使得使用紧凑型光电系统更容易读取信号。

为实现这一机制，我们开发了一个非局部的连续体三维束缚态元曲面。基于BIC的共振可以强烈限制光线。通过小心地打破这种约束，我们创造了可以工程化的辐射泄漏的准BIC模式。

三维结构很重要。通过引入面外不对称，我们可以控制光线从超曲面辐射的方式，同时保持面内几何的稳定和可制造性。这有助于传感器对生物分子折射率变化保持高度响应，同时对大规模制造过程中出现的微小变化更具容忍度。

可扩展性也是我们工作的核心。我们用铝基光刻技术在8英寸晶圆上制造了超曲面。这使我们能够从单一实验室设备转向晶圆级生产。这种晶圆级方法为实现成本更低、更可重复的传感器芯片提供了途径。

我们还建造了一个不需要光谱仪的紧凑型光电探测系统。该系统不记录完整的光学光谱，而是使用发光二极管、光电探测器和超表面芯片，将光学响应直接转换为电信号。这大大简化了仪器设计，使感测过程更兼容便携式诊断系统。

尽管结构紧凑，该系统实现了3.3×10的光电子灵敏度4每折射率单位的mV，折射率检测限最低为10-6折射率单位。在日常中，这意味着传感器能够检测到水的折射率从1.333000到1.333001这样微小的光学变化。人眼看来不会有任何不同，但传感器仍能捕捉到这百万级的变化。

随后，我们应用该平台检测与肺癌相关的小型细胞外囊泡（sEVs）。这些纳米级囊泡由细胞释放，携带来自母细胞的分子信息。由于它们存在于血液和其他体液中，因此是液体活检的有前景的生物标志物。然而，它们的浓度可能非常低，尤其是在早期疾病中。

利用我们的Q调制感测平台，我们在15分钟内检测到低至24 aM的sEV浓度。这相当于与标准免疫测定相比，灵敏度提升约1万倍。

为进一步评估该系统，我们检测了171个人类血清样本。该平台在区分早期肺癌样本与健康对照组方面表现出显著表现。其在受试者工作特征曲线下的面积（衡量测试将两组分隔的程度）高达94.9%。该系统在术后监测方面表现良好，AUC为92.1%。

对我们来说，这项工作最令人兴奋的部分不仅是传感器的灵敏度。而是信号通路本身不同。

结论

通过将细微的分子扰动转化为辐射Q因子调制，我们开辟了通往不限于微小波长偏移的生物传感器的路径。这为我们带来了更强的光学响应、更直接的电信号以及更紧凑的系统架构。它还表明，辐射损失——常被视为光学传感中的问题——可以被工程化成有用的信号放大源。

从研究原型到广泛使用的医疗器械，仍有很长的路要走。需要更大规模的多中心研究，以验证该技术在更多患者群体、疾病阶段和临床环境中的应用。该系统在常规临床或家庭使用部署前还需进一步工程设计。

但通过结合新的光学物理、可扩展的纳米制造和紧凑的系统集成，我们相信这项工作为未来不仅可能应用于大型医院、本地诊所、偏远地区，甚至可能应用于家庭的先进诊断技术。

本故事属于Science X Dialog，研究人员可以在这里报告他们发表的研究成果。请访问此页面了解Science X Dialog的信息及参与方式。

出版信息

Jiacheng Sun 等，通过辐射Q因子调制实现的超灵敏生物感测，在强耦合三维连续介质束缚态超曲面中，Nature Photonics（2026年）。DOI：10.1038/s41566-026-01909-z

期刊信息：自然纳米技术 、自然光子学 、自然材料 

若本文收录的图片文字侵犯了您的权益，请邮件联系我们，我们将在24小时内予以删除。