Opto-Electronic Advances
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南方科技大学邵理阳教授团队提出了一种基于微波光子解调的双波长光纤激光生物传感系统，用于血清中肿瘤标志物的特异性检测。所使用的基于色散时延的微波光子解调技术显著提高了检测精度和分辨率，降低了检测下限，为更广泛的生物检测场景提供了新的可能性。
第一作者：胡杰 博士
通信作者：邵理阳 教授，肖冬瑞 副教授
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研究背景
血液/血清等体液中微量癌症标志物的检测对于癌症疾病的早期筛查、治疗方案指导以及预后评估至关重要。肿瘤标志物在样本中的稀缺性及其所处环境（待测环境）的复杂性对光纤传感器的性能提出了严峻的挑战，尤其是在灵敏度、解调分辨率和特异性方面。光纤传感器以光纤为载体，集光学检测与光信号传输于一体，是一大研究热点。在众多研究学者们的持续技术创新优化之下，基于各种精密设计的传感器的灵敏度已得到显著提升。通过在光纤传感器表面附着二维材料、金属微纳颗粒和沉积薄膜，实现局部电磁场增强，可以大大提高传感器的灵敏度。基于免疫分析的抗原夹心法为放大生物分子结合事件引起的信号提供了一种有效的策略。然而，在光纤生物传感器领域，仍需在传感信号的响应性和稳定性之间取得平衡。许多结构设计虽能提升灵敏度，却可能影响传感器的稳固性和可重复性，这在实际应用中是需要权衡的因素。相比于传统光纤传感器的干涉光谱，光纤激光信号的窄线宽、高信噪比特性，为光纤检测技术光谱分辨能力的提升开辟了新路径。然而，传统的光纤传感器通常是基于波长监测，使用光谱分析仪(OSA)来实现的，其最佳波长分辨率为0.02 nm。这意味着在使用OSA分析光谱波长变化时，只能分辨出GHz量级和更大的频率变化，这就限制了光纤传感器的检测分辨率。为了区分微量肿瘤标志物引起的微弱信号，更需要具有超高分辨率的解调方法来提升光纤生物传感器的检测性能。
本文亮点
针对上述问题，近日，南方科技大学邵理阳教授团队提出了一种基于微波光子解调的双波长光纤激光生物传感系统，用于血清中肿瘤标志物的特异性检测。首先设计了一种微纳套索结构光纤传感器，并与光纤Bragg光栅并联，构建了双波长激光输出系统。搭建基于色散时延的微波光子解调光路，实现对双波长激光的传感信号解调。在实验检测过程中，同时实施了三种不同的解调方案：激光光谱波长变化量分析、微波光子解调频谱的FSR减小量分析，以及频谱最大Notch频率的减小量分析，并对各自检测性能进行了详细比较。
该激光传感系统基于激光波长解调的折射率灵敏度为1083 nm/RIU，而采用微波光子解调技术的FSR减小量分析与最大Notch频率减小量分析的折射率灵敏度，达到了-535.56 GHz/RIU和-1902 GHz/RIU，相对应的理想检测分辨率从1.9×10-5 RIU分别提升至1.87×10-7 RIU和5.26×10-8 RIU，有着2~3个数量级的性能提升。且与其他最近发表的光纤传感技术(包括基于光谱波长移位、光强变化、散斑分析和微波光子解调的光纤传感技术)相比，文中提出的传感系统在RI检测中表现出更高的灵敏度、更高的分辨率和更好的真实检测精度。
为验证传感器的生物传感性能，选择了CEACAM5 作为目标检测物。在PBS 缓冲液中的测试结果显示，基于微波光子解调的传感系统的检测下限（limit of detection, LOD）低至0.076 ng/mL，相较于传统的激光光谱波长解调方案的检测性能，有1个数量级的提升。此外，对人血清样本的进一步测试验证了传感系统的实际应用性能。三种实验方案均能有效区分出不同人血清样本中标志物含量的差异，并与医院提供的临床数值相符。与传统的光谱波长解调方式相比，基于色散时延的微波光子解调技术显著提高了检测精度和分辨率，降低了检测下限，为更广泛的生物检测场景提供了新的可能性。
图1 双波长激光信号的同步激光光谱分析与微波光子解调系统
图2 折射率检测过程中的三种解调方案的结果：(a) 不同RIs溶液中的双波长激光光谱; (b) 激光波长与RI的拟合关系; (c) 不同RIs溶液的射频频谱; (d) 随RI变化的FSR响应及其拟合曲线; (e) RI的第4陷波频率响应及其拟合曲线。
该工作以“High-resolution tumor marker detection based on microwave photonics demodulated dual wavelength fiber laser sensor”为题发表在Opto-Electronic Advances 2024年第12期。
研究团队简介
邵理阳，教授/博导，国家特聘青年专家，南方科技大学创新创业学院副院长，鹏城实验室/南方海洋实验室双聘研究员，天地海一体化智能网联研究中心主任，广东省集成光电智感实验室执行主任，科技部/基金委重大项目/国家奖评审专家。2008年获得浙江大学光学工程博士学位。毕业后先后在加拿大卡尔顿大学、澳大利亚悉尼大学、香港理工大学、新加坡南洋理工大学等知名高校从事科研工作。主要研究方向有分布式光纤传感技术及工程应用，天地海一体化智能网联关键技术及应用研究等。目前已在国际主要期刊及会议上发表学术论文共200余篇，Nat. Comm. 、Light Sci. Appl. 、Opto-Electron. Adv. 、Laser Photon. Rev. 、Adv. Electron. Mater. 、Nanoscale 、Biosen. 、 Bioelectron.等顶级期刊8篇，Google Scholar总引7479次，H因子47；在IEEE ICCT, CLEO-PR, APOS等重要国际会议做主旨报告2次，特邀报告20余次，担任ACP2022、OGC2020/21/22、CLEO-PR 2018/2020国际会议TPC Chair/组委会成员20余次；授权发明专利10余项。曾荣获澳大利亚“奋进学者奖”、国家特聘青年专家、“詹天佑铁道科技奖青年奖”、“深圳市产业发展与创新人才奖”、中国产学研合作促进奖（个人）、中国光学工程学会技术发明奖二等奖等多项荣誉，连续四年入选斯坦福大学“全球前2%顶尖科学家”，包括“终身科学影响力排行榜”和“年度科学影响力排行榜”。近年来主持科技部、国家自然科学基金等10余项项目。
肖冬瑞（第二通讯作者），2022年毕业于哈尔滨工业大学（中国哈尔滨）和南方科技大学（中国深圳）博士联合培养项目，获哈尔滨工业大学工学博士学位。研究方向为微波光子学与光纤传感技术，主要从事微波光子滤波器、光电振荡器、光纤激光器等与光纤传感器技术的交叉理论及应用研究，现为湖南工学院副教授。
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Opto-Electronic Advances (OEA，光电进展) 是一本同行评议的英文学术月刊，创刊于2018年3月，已被SCI、EI、Scopus、DOAJ、CA和ICI等数据库收录，影响因子15.3，位于JCR Q1区，中科院一区，入选中国科技期刊卓越行动计划英文领军期刊项目。由中国科学院主管，中国科学院光电技术研究所主办并出版，面向全球发行。OEA主要报道光电领域的前沿创新科研成果。期刊栏目包括原创论文、综述和快讯等，欢迎投稿！
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编辑 | 彭诗涵 张诗杰
审核 | 杨淇名
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