专栏名称: 热辐射与微纳光子学

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基于三维纳米结构探针功能化光学微腔的低检测限DNA生物传感器

热辐射与微纳光子学 · 公众号 · · 2023-10-04 09:13

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图 1 基于纳米结构探针功能化光学微腔的低检测限 DNA 传感原理示意图

1. 导读

病毒检测是查明疾病流行的关键手段，也是疾病治疗前必不可少的流程。快速、准确地识别病毒需要响应速度快、探测极限低的检测方法。目前，核酸检测和免疫学抗原抗体检测是两种主要的病毒检测方法。核酸检测通过序列比对来测定具体病毒种类，如 PCR- 荧光探针法，需做荧光标记，检测准确度高但检测耗时长；免疫学抗原抗体检测数分钟可出结果，但必须是在被检测者感染后体内已产生抗体后才可被检出，存在滞后性且准确度仍需提升。

针对上述问题，近日南京邮电大学晁洁教授和万洪丹教授研究团队在 Nanophotonics 发表最新研究进展，首次利用三维 DNA 纳米结构探针（ DTN ）功能化的高 Q 值空心光学微腔，实现了无标记、低检测极限的 DNA 光学生物传感器。

该工作提出并展示了一种新型的无标记 DNA 生物传感器，该传感器采用纳米级尺寸的 DTN 修饰高 Q 值光学微腔传感界面，通过追踪光学微腔回音壁模（ whispering gallery mode, WGM ）共振光谱的变化，实时监测 DNA 分子特性，在提升探针结合效率的同时，降低了 DNA 分子传感的检测极限，为快速、高灵敏 DNA 检测提供了一种新的生物光学手段。

2. 研究背景

后疫情时期，病毒检测仍然是人类预防大型传染病传播的重要手段。 DNA 生物传感器可以诊断各种疾病和人类病原体，目前，低探测极限（ Limit of detection ， LoD ）、高灵敏度是当前 DNA 检测追求的重要性能指标。最近，微纳光纤生物传感器由于免标记和实时检测能力，在生物传感方面引起了广泛的研究兴趣。科研人员尝试采用特殊材料激发等离子共振等光场增强效应以降低其 LoD 和提高灵敏度，然而，受结构限制，微纳光纤器件中光与物质互作用长度有限，采用单链一维结构 ssDNA 探针，由于静电排斥力、非特异性吸附力、单链之间碱基积聚力的存在，降低了 DNA 分子结合探测过程中的有效性，限制了传感 LoD 和灵敏度的提升。

3. 创新研究

针对上述问题，南京邮电大学晁洁教授和万洪丹教授研究团队设计并实现了一种三维纳米结构探针功能化光学微腔的低检测限 DNA 生物传感器。锥形光纤与光学微腔耦合后，光在内壁表面发生全内反射并激发 WGM 共振光谱。将 DTN 探针结合到微腔的内壁表面，探针分子和目标 DNA 分子之间的结合导致微腔（内）壁表面的折射率和厚度的变化，进而改变了共振波长的位置。通过实时跟踪 WGM 共振光谱变化来监测 DNA 分子结合过程

通过对石英毛细管进行熔融拉锥制备空芯结构光学微腔，其实验系统如下图所示，由可调谐激光器，衰减器，偏振控制器，耦合单元，光电探测器和反馈系统组成。通过高精度耦合系统对微腔的耦合位置进行精密调节，得到的 WGM 共振光谱 Q 值为 ~ 1.78 × 10 ⁷ 。（如图 2 ）

图 2 传感器的制作和表征

基于三维纳米结构探针功能化光学微腔的低检测限DNA生物传感器

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