组成图示
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传感器类型
综述或非传感器论文
检测对象
蛋白质（proteins，如 IL-2）、DNA/单核苷酸多态性（DNA/SNP）、细胞因子（cytokines）、病毒颗粒（virions）、细菌（bacteria，如大肠杆菌 Escherichia coli）、细胞（cells）；样品基质为水相缓冲液/微流控样品流，未来提及血液样品。
检测原理
WGM生物传感器利用微腔表面循环的倏逝场实现无标记检测。样品中的目标分子与固定在微腔表面的抗体或寡核苷酸探针结合后，在倏逝场区域形成极化或薄层，改变微腔等效半径和轨道折射率，使共振波长发生漂移，满足Δλr/λr=ΔR/R+Δn/n。高Q微腔使光子循环数千次，共振线宽极窄，可分辨极小波长变化。微环toroid中，结合分子吸收光能并产生局部加热，通过热光效应改变二氧化硅折射率，进一步放大波长漂移。可调谐激光扫描透射谱，定位共振谷并测量Δλr，单分子结合可表现为波长漂移台阶。
检测灵敏度
LOD: 10−16 M IL-2；LOD: ~1 pg/mm2（初始无标记生物分子检测）；σLOD: 0.03 pg/mm2（蛋白，F=0.01，R≈45 μm）；最小可检测厚度: ~0.5 pm（R=100 μm，λr=1,300 nm）；单抗原质量检测限: 3.6 × 10−17 g；共振线宽: δλr≈0.0006 nm；可分辨波长漂移: 6 fm；Q: 2 × 106（水吸收限制）/ 3 × 108（微环toroid）
效应效果
文中指出WGM无标记检测灵敏度优于SPR，初始灵敏度约1 pg/mm2，首次实验可检测不到1/1000个牛血清白蛋白单分子层。微环toroid热光WGM技术报告IL-2检测灵敏度为10−16 M，超过最灵敏ELISA，并观察到细胞因子与抗体结合产生的单分子台阶。E. coli吸附实验验证了理论预测。技术已用于蛋白、DNA、SNP、病毒、细菌和细胞分析，作者认为其可用于即时检测、药物筛选、蛋白质组学/基因组学高通量分析以及膜受体信号转导研究。
传感器的构成
- 光学微腔基底：二氧化硅微球（silica microsphere，半径约100 μm）或微环/微环盘/微环toroid，支持WGM并作为光学换能器
- 激发与读出光路：锥形光纤（tapered optical fiber）通过倏逝场耦合激发WGM，并传输可调谐激光与透射光至光电探测器
- 表面功能化层：微腔表面固定抗体（antibodies）或寡核苷酸探针（oligonucleotides）于葡聚糖水凝胶（dextran hydrogels）中，用于特异性识别
- 识别元件：抗体用于蛋白/细胞因子结合，寡核苷酸探针用于DNA/单核苷酸多态性（SNP）杂交
- 样品流道：微流控通道或玻璃毛细管（glass capillary）将样品输送至微腔倏逝场区域
- 信号标记物：无外源标记（label-free），信号来自结合引起的共振波长漂移及热光放大
中文摘要
光学无标记检测器（如表面等离子共振 SPR 传感器）因能定量表征分子间结合而受到重视，但在引入利用回音壁模式（WGM）循环的谐振微腔之前，尚无法实现单个结合事件的灵敏度。本文阐述 WGM 生物传感器实现极高灵敏度的增强机制，回顾其当前实现形式与应用，并讨论未来可能。WGM 微腔通过倏逝场与表面结合分子相互作用，使共振波长发生漂移；高 Q 微腔将光子循环数千次，提高漂移测量精度。微环 toroid 中的热光效应可进一步放大单分子结合引起的波长变化，使无标记单分子检测成为可能。该技术可用于蛋白、DNA、病毒、细菌和细胞等分析，并有望用于即时检测、药物筛选和生物分子网络研究。
英文摘要
Optical label-free detectors, such as the venerable surface plasmon resonance (SPR) sensor, are generally favored for their ability to obtain quantitative data on intermolecular binding. However, before the recent introduction of resonant microcavities that use whispering gallery mode (WGM) recirculation, sensitivity to single binding events had not materialized. Here we describe the enhancement mechanisms responsible for the extreme sensitivity of the WGM biosensor, review its current implementations and applications, and discuss its future possibilities.