目前，高传染性疾病时常在密集人群中爆发，而对生物病毒标志物的快速、准确地检测，可以为疾病的预防、诊断和及时治疗提供重要的依据，从而有效地控制危险传染病的传播活动。然而目前市面上的检测仪器大多存在设备庞大、价格昂贵且检测时间过长等问题，极大地制约这些技术在疾病早期检测和诊断中的广泛应用。基于光学谐振微腔的高灵敏生物分子检测平台有着低成本，易于集成，快速检测等优点，在临床医学、疾病诊断以及药物筛选等领域具有广阔的应用前景。
复旦大学光科学与工程系课题组开展相关方面研究。近年来，在“高灵敏生物分子检测”这一具有独创性的研究方向上取得一系列突破性进展，发展了一系列谐振微腔构型，完成了高灵敏光流控微腔传感的原理研究，利用谐振微腔具有超高品质因子，较小的模式体积等优点，从而大幅度提高了微腔传感器的灵敏度并降低了探测极限，为突破无标记光学生物传感器的探测极限瓶颈提供了有效的技术路线。
典型微腔结构：
1.光流控微泡谐振器实现超灵敏生物分子特异性检测
光学回音壁模式（Whispering gallery mode）的谐振器具有很高的品质因子和小的模式体积，将这些特性应用于生物传感当中，可以将生物分子产生的很小的信号放大，从而被谐振器检测。然而，光学回音壁模式谐振器受到激光器自身波长漂移和环境噪声的影响，往往很难获得对超低浓度的生物分子检测功能。
为了解决上述问题，项目团队利用外参考腔光流控微泡谐振器，校正激光器自身波长漂移和降低环境噪声的影响，实现超灵敏的生物分子检测。项目团队首先利用全封装型的微泡谐振器降低系统以及环境带来的噪声，再利用外参考腔的方法，校正激光器自身波长漂移和激光跳模。在此基础上，组成外参考腔光流控微泡谐振器系统，利用该系统实现对牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）非特异性检测和生物素（D-biotin）的特异性检测。
目前，该系统所能检测到的BSA和D-biotin的最低浓度为1 fg / mL（分别为15 aM和4.1 fM）。该方案有效地解决测量系统长期稳定性良好，实现实时动态超高灵敏的特异性测量，到达无标记光学生物分子特异性检测国际领先水平。相关成果以Ultra-sensitive biomolecular detection by external referencing optofluidic microbubble resonators 为题发表于Optics Express [27 (2019) 12424-12435]上。
2.超灵敏双曲面鼓形微腔激光生物传感器
复旦大学信息学院光科学与工程系吴翔教授与南京大学现代工程与应用科学学院姜校顺教授合作团队研发了一种新型双曲面鼓型微腔（hyperboloid-drum microdisk, HD microdisk）激光生物传感器。合作团队以高Q值二氧化硅微盘腔为骨架、以掺罗丹明B的光刻胶（SU-8）为增益介质，制备出复合型双曲面鼓型微腔激光器。由于SU-8胶体在固化时的表面张力作用，形成了光滑的微腔表面，保证微腔的高Q值（>105），降低了激光产生的阈值，从而有效地减小了泵浦光的热作用和染料漂白对传感的影响；另一方面，带有楔角的微腔形貌会进一步压缩回音壁光学模式的模场，增大光与物质相互作用，从而提高传感器的灵敏度。项目团队利用双曲面鼓型微腔激光器进行无标记的生物分子检测，在磷酸盐缓冲液（phosphate buffer saline, PBS）下实现对牛血清白蛋白（bovine serum albumin, BSA）非特异性检测和人免疫球蛋白（immunoglobulin G, IgG）的特异性检测；在此基础上，团队进一步演示在复杂的环境下（人工血清），该生物传感器对人IgG的特异性检测能力。目前，传感器非特异性检测BSA的探测极限达到4.5 ag mL-1 (0.07 aM)，对人IgG特异性检测的探测极限为9 ag mL-1（0.06 aM），动态测量范围为14个数量级，达到无标记光学生物分子特异性检测的国际领先水平。
相关成果以“Hyperboloid-Drum Microdisk Laser Biosensors for Ultrasensitive Detection of Human IgG ”为题于6月8日在线发表在国际知名期刊《Small》上（https://doi.org/10.1002/smll.202000239）。
3.高品质因数导模共振传感器
导模共振（guided mode resonance）效应是指入射光与光栅结构所支持的泄漏模之间发生耦合而引起的衍射谱的突变现象。基于低损耗介电材料的导模共振装置能够产生窄带宽（<5nm）、高反射率（>95％）的共振光，且此共振光对外界环境变化十分敏感；此外，该效应的产生不需要耦合介质，便于装置的集成化和小型化，因此被广泛应用于生物传感领域。尽管已有很多关于导模共振传感器的研究工作，但是这些工作主要是通过牺牲线宽来换取高灵敏度，而线宽的增加会使得实际探测的分辨率下降。因此，对于传感器性能而言，更需要考虑品质因数（灵敏度/线宽）这个更加全面的性能评价标准。
复旦大学光科学与工程系吴翔教授课题组为实现高品质因数导模共振传感器，从理论上对高品质因数的实现进行深入研究，分析导模共振装置材料，几何结构等参数与传感器灵敏度和线宽的定量关系，提出了高效简便的理论模型来得到高品质因数导模共振传感器;并利用纳米压印技术成功地将光栅图案转移到低折射率紫外胶（n=1.34）上，用低折射率紫外胶替代传统的玻璃材料作为基底，使得导模共振传感器在水相环境下形成对称的光场分布。由此实现了两种具有高品质因数（>103）的高性能导模共振传感器，相较于其他同类型传感器提升了一个量级以上，到达了国际领先水平。该传感器结构的制作流程简单，成本低廉，结构稳定，可大批量生产，这为高性能导模共振传感器的实用化和产业化提供了切实可行的工艺路线。相关研究成果发表在《Nanomaterials》、《Optics Express》及《Nanotechnology》等期刊上，并申请两项国家发明专利。
