在癌症和痴呆等疾病表现出严重的、不可逆转的症状之前及早发现它们，对于公共卫生具有重要意义，有助于降低发病率和死亡率。在疾病的早期阶段，精确估计极低浓度的生物标志物是很困难的。在过去的二十年中，光学微腔已发展成为一种强大的平台，用于放大具有强腔反馈的光信号，并且已广泛用于生物分析。然而，对于一次性生物传感器来说，对精细制造程序和基本耦合要求的强烈依赖是非常不可取的。
电子科技大学信息与通信工程学院光纤传感与通信教育部重点实验室龚原教授带领的科学家团队在《光科学与应用》上发表了一篇新论文。中国科技、中国成都和同事开发了光纤上的亚单层生物激光器，作为超灵敏和一次性生物传感器。他们通过使用光纤微腔，以可忽略不计的成本实现了亚单层生物激光器的大规模生产，这些光纤微腔分布在 10 公里的非凡长度上，并且具有 10 6的超高 Q 因子(图 1a)。与无源微腔形成鲜明对比的是，亚单层生物激光器的泵送和检测可以通过自由空间光学方便地进行，这消除了对关键波导耦合的依赖，更重要的是，使得能够开发具有超高灵敏度的一次性生物传感器。更令人惊讶的是，通过将增益分子降低至阈值密度，他们证明，与单层生物激光器相比，亚单层生物激光器的检测下限(LOD)提高了六个数量级。该团队还证明他们的亚单层生物激光器有可能用于临床诊断。他们利用亚单层生物激光器检测血清中的帕金森病 (PD) 生物标志物，并获得了 0.32 pM 的较低 LOD。这一结果比帕金森病患者血清中的α-syn浓度低约三个数量级。所提出的方法在具有终极灵敏度的高通量临床诊断中提供了巨大的潜力。
这些科学家总结了亚单层生物激光的机制：
“我们发现光学增益略高于激光阈值的亚单层生物激光器具有最高的灵敏度。这种现象可以通过增益分子在激光作用中的贡献来解释。例如，当10,000个增益分子参与激光发射时，每个分子的平均贡献为1/10,000。一旦我们将增益分子减少到 100，每个分子的平均贡献将增加到 1/100。一种分析物分子在光纤上的结合将为增益分子增加一个结合位点。因此，增益分子较少的生物激光器有望获得更高的灵敏度。”
“我们选择商用光纤作为微腔来证明这一假设。在光纤拉制过程中，光纤的几何形状和表面特性得到了很好的控制。光纤可以被视为具有高度可重复性能的分布式微腔。同时，光纤的价格非常低，使得一次性传感器成为可能。例如，我们实验中使用的SMF-28e光纤的价格约为每米0.5美元。亚单层激光器由约 2 厘米长的光纤段制成，相应的成本约为 0.01 美元，可以忽略不计。” 他们补充道。
“亚单层生物激光器是一个通用的传感平台，可用于检测生物标记物的类型。科学家预测，具有超高灵敏度的一次性激光生物传感器可以实现对重大疾病的经济有效的早期诊断。
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