微波光子融合光纖傳感技術為癌癥早篩帶來新思路

近日，南方科技大學創新創業學院副院長、電子與電氣工程系研究員邵理陽團隊在生物醫學檢測技術領域的最新研究成果發表于《光電進展》。研究團隊提出基于微波光子解調的雙波長光纖激光生物傳感系統，將腫瘤標志物檢測靈敏度提升2至3個數量級，為癌癥早期篩查建立了突破性技術方案。

雙波長激光信號的同步激光光譜分析與微波光子解調系統。南科大供圖

在全球癌癥負擔持續加重背景下，血清腫瘤標志物的早期精準檢測已成為臨床醫學關鍵需求。傳統光纖傳感器受限于波長解調機制，在檢測分辨率與檢測下限面臨技術瓶頸。現有技術存在三大核心挑戰，分別是納米功能化修飾導致傳感器響應穩定性下降、復雜生物樣本易引起非特異性吸附干擾、微弱折射率變化難以被常規光譜手段捕獲。

針對上述挑戰，研究團隊創新性地設計了一種微納套索結構光纖傳感器，并與光纖Bragg光柵并聯，構建了雙波長激光輸出系統。通過搭建基于色散時延的微波光子解調光路，實現了對雙波長激光傳感信號的高效解調。在實驗中，團隊對比了三種不同的解調方案，包括激光光譜波長變化量分析、微波光子解調頻譜的FSR減小量分析以及頻譜最大Notch頻率的減小量分析。

實驗結果顯示，該激光傳感系統基于激光波長解調的折射率靈敏度為1083納米每折射率單位，而采用微波光子解調技術的 FSR 減小量分析與最大Notch頻率減小量分析的折射率靈敏度分別達到了-535.56 吉赫茲每折射率單位和-1902吉赫茲每折射率單位，檢測分辨率提升了2至3個數量級。與其他已發表的光纖傳感技術相比，該傳感系統在折射率檢測中表現出更高的靈敏度、分辨率和檢測精度。

此外，研究團隊發現，基于微波光子解調的傳感系統檢測下限低至0.076納克每毫升，比傳統激光光譜波長解調方案提升了1個數量級。對人血清樣本的測試進一步驗證了該系統的實際應用價值，三種實驗方案均能準確區分不同人血清樣本中標志物含量的差異，與醫院臨床數值相符。

據介紹，該技術已通過深圳三甲醫院臨床樣本驗證，適用于大規模篩查，具備產業化潛力。該項研究為光纖生物傳感開辟了新維度，實現了微波光子學與臨床檢測的深度融合，為癌癥早篩技術帶來新方向。

相關論文信息：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.240105