组成图示
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传感器类型
其他（微球回音壁模式光学生物传感器）
检测对象
聚苯乙烯纳米颗粒（polystyrene nanoparticles, PS NPs，标称半径约40 nm）；样品基质：水溶液/微流控池（aqueous solution/microfluidic cell）
检测原理
该传感器基于回音壁模式（WGM）谐振器的反应式光学传感。石英微球通过全内反射将650 nm光限制在赤道附近，形成向外衰减的倏逝场。当纳米颗粒进入倏逝场时，其极化率改变局部介电环境，使谐振波长发生漂移；漂移量与颗粒极化率、体积和质量成正比。赤道区域倏逝场最强，且光梯度力促进颗粒在赤道吸附，因此吸附产生可分辨的波长台阶。DFB-PPLN倍频光源将波长从1300 nm降至650 nm，降低水吸收和衍射损耗，提高品质因子与灵敏度；无自由空间耦合进一步降低振动噪声。透射光经硅探测器转换为电信号，由LABVIEW记录共振波长漂移，实现单颗粒吸附/解吸检测。
检测灵敏度
LOD: ~20 ag (17 nm radius)；LOD: 17±2 nm；相对噪声: (Δλr,rms/λr) ~10^-9
效应效果
该传感器在水溶液中实现单个病毒尺寸纳米颗粒的无标记实时检测。聚苯乙烯纳米颗粒的吸附与解吸台阶清晰，计算半径为36±2 nm，与样品标称平均半径40±5 nm一致；36 nm颗粒吸附台阶信噪比为8。系统相对共振波长噪声约为1×10^-9，较此前同类实验的3×10^-9降低约3倍，共振品质因子约10^6。噪声等效检测限约为20 ag，对应半径17±2 nm，小于多数人类病毒。作者强调DFB-PPLN光源无机械运动部件、无需隔振、可快速调制，有利于开发低成本、便携、适用于临床环境的单颗粒生物传感器。
传感器的构成
- 换能器/谐振基底：石英微球（silica microsphere/microspheroid，R≈35 μm），由CO2激光熔化石英光纤尖端形成，支持WGM并产生倏逝场
- 光耦合层：锥形石英光纤（tapered silica fiber，接触点约2 μm），将650 nm光倏逝耦合进微球
- 光源/倍频模块：1304 nm DFB电信激光器（NLK1B5GAAA）与ZnO掺杂PPLN波导（周期11.8 μm，芯区8×8 μm，长34 mm），二次谐波产生650 nm光
- 偏振控制：偏振控制器（polarization controller），选择TE/TM偏振WGM
- 样品池：微流控池（microfluidic cell），容纳水溶液样品并允许纳米颗粒注入
- 识别元件：无标记直接吸附，无抗体/适配体/酶等特异性识别层；纳米颗粒进入倏逝场并被光梯度力引导至赤道
- 信号读出：硅光电探测器（Newport 818-IS-1）与LABVIEW，记录透射功率和共振波长漂移
中文摘要
本文报道了一种由分布式反馈-周期极化铌酸锂（DFB-PPLN）倍频电信激光器驱动的回音壁模式（WGM）生物传感器。该光源将1304 nm电信DFB激光通过ZnO掺杂PPLN波导倍频至约650 nm，具有无机械运动部件、无需隔振、可快速调制和成本较低等优点。由于可见光区水吸收显著降低，微球谐振器在生物流体中的品质因子和灵敏度得以提高。作者利用该650 nm光源驱动半径约35 μm的石英微球WGM谐振器，在水溶液中无标记实时检测单个病毒尺寸纳米颗粒的吸附与解吸。实验观察到半径36 nm颗粒的吸附台阶，信噪比为8；噪声等效检测限约为20 ag，对应半径17 nm。该极限主要归因于DFB-PPLN光源带来的超低共振波长噪声，相对噪声约为10^-9。该工作为开发低成本、可移植、适用于临床环境的单颗粒生物传感器提供了新方案。
英文摘要
We demonstrate a significant reduction in the limit of label-free detection of individual viral-sized nanoparticles in aqueous solution through the use of a frequency doubled telecom laser constructed from a distributed feedback-periodically poled lithium-niobate (DFB-PPLN) union. By driving a whispering gallery mode biosensor near a wavelength of 650 nm with this device we have detected real-time adsorption steps for particles 36 nm in radius with a signal to noise ratio of 8. The noise equivalent detection limit is ∼20 ag (17 nm radius). This new lower limit is attributed to the ultralow resonance wavelength noise [(Δλ(r))(rms)/λ(r)<10(-9)] associated with the use of the DFB-PPLN device.