组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
Cy5.5 远红荧光染料（cyanine 5.5, Cy5.5）；样品基质：PBS 缓冲液（体外）和裸鼠皮下组织/活体组织（体内）
检测原理
该传感器无特异性生物识别层，识别事件为 Cy5.5 等荧光分子进入检测区并被激发。675 nm VCSEL 向样品或组织发射窄线宽激发光，荧光分子吸收后发射 700–775 nm 荧光。由于激发光强度远高于荧光，芯片上集成的介电发射滤光片与吸收型滤光片共同阻挡 675 nm 激发光及其背散射，同时允许荧光透过；Ti/Au 阻挡层和 SiNx 钝化进一步抑制 VCSEL 与 PIN 之间的串扰。GaAs PIN 光电二极管将到达的荧光光子转换为光电流，VCSEL 以 23 Hz 正弦电流调制，锁相放大器提取同频信号并扣除背景。荧光强度随 Cy5.5 浓度升高而增大，因此光电流可反映被测物浓度。系统未使用酶催化或核酸放大，主要依靠低暗电流探测器、大像素光收集、窄线宽激发和锁相检测提高信噪比。
检测灵敏度
LOD: 5 nM（体外 PBS）；LOD: 约 50 nM（体内裸鼠皮下）；线性范围: 体外超过 3 个数量级，体内约 2 个数量级；R^2 = 0.992（体外），R^2 = 0.965（体内）
效应效果
体外 PBS 中检测限为 5 nM，线性范围超过 3 个数量级，R^2=0.992；噪声底 0.25 pA-RMS，背景波动约 1 pA-RMS，作者认为微流控固定体积可降至约 1 nM。体内裸鼠皮下检测限约 50 nM，线性范围约 2 个数量级，R^2=0.965，背景波动约 3 pA-RMS，主要受组织自发荧光限制。组合滤光片在组织模型中抑制约 3 个数量级激发光泄漏。与 CCD 小动物荧光成像系统比较，光电流与最大辐射度高度相关，R^2=0.991；50 nM 注射点最大辐射度约为自发荧光 2 倍，25 nM 无对比度。器件暗电流数月无明显增加，但 VCSEL 约 40 °C 停止激射，需改进以适应体温。该传感器适合自由活动动物长期连续分子监测。
传感器的构成
- 基底/换能器：N+ GaAs 衬底，单片集成 VCSEL 与 PIN 光电二极管的半导体平台。
- 激发光源：675 nm VCSEL（AlGaInP 基量子阱、DBR 腔），产生窄线宽远红激发光。
- 光电换能层：GaAs PIN 光电二极管（I-GaAs 吸收区、N-GaAs、P-GaAs 接触层），将荧光光子转换为光电流。
- 光学滤波层：薄膜介电发射滤光片（中心 750 nm、带宽 40 nm）与吸收型滤光片，阻挡 675 nm 激发光并透过 700–775 nm 荧光。
- 光学隔离层：Ti/Au 金属阻挡层、3D 光阻微结构与 SiNx 钝化层，抑制 VCSEL 与 PIN 间串扰。
- 识别/信号标记层：Cy5.5（cyanine 5.5）远红荧光染料；无特异性生物识别元件，直接检测荧光分子。
- 样品/识别环境：PBS 缓冲液或裸鼠皮下组织，作为荧光分子所在基质。
中文摘要
本文报道了一种用于活体连续荧光检测的微型可植入半导体生物传感器。该传感器基于砷化镓（GaAs）单片集成工艺，将 675 nm 垂直腔面发射激光器（VCSEL）、GaAs PIN 光电二极管和荧光发射滤光片集成在同一芯片上，并采用介电薄膜滤光片与吸收型滤光片抑制激发光串扰。器件工作在远红/近红外波段，以窄线宽 VCSEL 激发 Cy5.5 等远红荧光分子，由低暗电流 PIN 光电二极管收集 700–775 nm 荧光发射，并通过锁相放大技术提取微弱光电流。体外 PBS 溶液中可检测低至 5 nM 的 Cy5.5，线性范围超过 3 个数量级；在麻醉裸鼠皮下注射实验中，检测限约为 50 nM，线性范围约 2 个数量级，主要受组织自发荧光限制而非器件性能。该传感器成本低、体积小、可扩展，有望用于自由活动动物中长期连续分子成像与肿瘤/药物监测。
英文摘要
We have fabricated miniature implantable fluorescence sensors for continuous fluorescence sensing applications in living subjects. These monolithically integrated GaAs-based sensors incorporate a 675 nm vertical-cavity surface-emitting laser (VCSEL), a GaAs PIN photodiode, and a fluorescence emission filter. We demonstrate high detection sensitivity for Cy5.5 far-red dye (50 nanoMolar) in living tissue, limited by the intrinsic background autofluorescence. These low cost, sensitive and scalable sensors are promising for long-term continuous monitoring of molecular dynamics for biomedical studies in freely moving animals.