突破传感局限：新法实现传感器表面外无标记粒子检测

在血液样本中寻找单个癌细胞，无异于大海捞针。随着研究人员致力于探测病毒、循环肿瘤细胞等日益微小且罕见的目标，开发一种无需荧光标记、坚固耐用且适用于真实样本的超灵敏传感器，已成为当前科研领域的迫切需求。

圣路易斯华盛顿大学（WashU）Lan Yang实验室的最新研究成果，成功打破了传统光学传感器的空间限制。该团队开发出一种结合光声效应与人工智能的全新传感策略，将 whispering-gallery-mode（WGM，回音壁模式）传感器的探测范围从传感器表面延伸至整个流体通道。这项研究不仅保留了WGM传感器卓越的灵敏度，更实现了在复杂生物流体（如全血）中对自由流动粒子的无标记检测与分类。相关成果已发表于《光：科学与应用》（Light: Science & Applications）。

超越表面的“聆听”：光声效应与AI的结合

传统的无标记光学传感器通常要求目标物必须紧贴或结合在微小的传感区域表面才能被探测到。在低浓度样本中，许多粒子根本无法触及该区域，或者其信号会被背景噪声淹没。

为了解决这一难题，Yang教授团队不再被动等待粒子“撞”上传感器，而是让WGM谐振器主动“聆听”流经的粒子。

当自由流动的粒子受到短脉冲激光照射时，会吸收光能并迅速膨胀，产生声波。这种微小的“耳语”携带了关于粒子大小、形状和成分的信息。声波穿过液体样本，被光学WGM谐振器传感器捕获，并转化为可测量的光信号。

“许多具有生物学意义的信号往往被掩埋在复杂且充满噪声的光谱数据中，”WashU人工智能健康研究所（AI for Health Institute）主任Chenyang Lu教授表示，“通过将这种新型传感技术与先进的机器学习相结合，我们能够挖掘出传统方法无法察觉的细微模式。”

全血环境下的稳定探测

该传感器的设计巧妙地解决了复杂环境下的干扰问题。研究人员将器件构建在玻璃毛细管内，并在其中制造了一个支持回音壁光学模式的微气泡。

该微气泡的壁厚经过精确控制，确保光场被限制在玻璃壁内，不与流动的样本重叠。这种设计使得传感器既能探测到液体中粒子产生的光声信号，又能保持极高的光学灵敏度，不受血液等复杂流体光学散射和吸收的干扰。

“这种设计让我们能够在不破坏光学灵敏度的前提下，在高度复杂的环境（如全血）中保持探测能力，”Yang教授解释道。

为了验证该技术的性能，研究团队分析了五种不同动物的全血样本。尽管血细胞的差异细微且光谱特征复杂，但通过引入机器学习算法，系统成功识别并分类了这些细胞。

无需接触的稀有细胞检测

这项技术对于医学诊断，特别是循环肿瘤细胞（CTC）的早期检测具有重要意义。

“在血液样本中，如何保证极低浓度的肿瘤细胞能结合到传感器上？尤其是在疾病早期？”Yang教授提出了这一关键挑战。新平台通过扩展传感范围和增加通量，使得系统无需表面功能化或复杂的样本制备，即可直接在原生环境中分析自由流动的粒子和细胞。

该研究的第一作者、博士后研究员Jie Liao表示：“这个平台最让我兴奋的是它的简单性和鲁棒性。我们不需要连续的参考测量或复杂的背景扣除来保持稳定。”

通过融合光声学、光流控和人工智能，这一新平台将超灵敏光学传感从传感器表面延伸到了更大的样本体积中，为疾病早期筛查、即时检测以及环境监测开辟了新的可能性。

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