近日，南方科技大學(xué)創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)學(xué)院副院長、電子與電氣工程系研究員邵理陽團隊在生物醫(yī)學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域取得重要突破，研究成果以“High-resolution tumor marker detection based on microwave photonics demodulated dual wavelength fiber laser sensor”為題，正式發(fā)表于國際光電子領(lǐng)域頂級期刊Opto-Electronic Advances。該研究首創(chuàng)性提出基于微波光子解調(diào)的雙波長光纖激光生物傳感系統(tǒng)，將腫瘤標(biāo)志物檢測靈敏度提升2-3個數(shù)量級，為癌癥早期篩查建立了突破性技術(shù)方案。

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雙波長激光信號的同步激光光譜分析與微波光子解調(diào)系統(tǒng)

在全球癌癥負擔(dān)持續(xù)加重背景下，血清腫瘤標(biāo)志物的早期精準(zhǔn)檢測已成為臨床醫(yī)學(xué)關(guān)鍵需求。傳統(tǒng)光纖傳感器受限于波長解調(diào)機制，在檢測分辨率與檢測下限面臨技術(shù)瓶頸。研究團隊指出，現(xiàn)有技術(shù)存在三大核心挑戰(zhàn)：納米功能化修飾導(dǎo)致傳感器響應(yīng)穩(wěn)定性下降、復(fù)雜生物樣本易引起非特異性吸附干擾、微弱折射率變化難以被常規(guī)光譜手段捕獲。

針對上述挑戰(zhàn)，團隊創(chuàng)新性地設(shè)計了一種微納套索結(jié)構(gòu)光纖傳感器，并與光纖Bragg光柵并聯(lián)，構(gòu)建了雙波長激光輸出系統(tǒng)。通過搭建基于色散時延的微波光子解調(diào)光路，實現(xiàn)了對雙波長激光傳感信號的高效解調(diào)。在實驗中，團隊對比了三種不同的解調(diào)方案，包括激光光譜波長變化量分析、微波光子解調(diào)頻譜的FSR減小量分析以及頻譜最大Notch頻率的減小量分析。

實驗結(jié)果顯示，該激光傳感系統(tǒng)基于激光波長解調(diào)的折射率靈敏度為1083 nm/RIU，而采用微波光子解調(diào)技術(shù)的 FSR 減小量分析與最大Notch頻率減小量分析的折射率靈敏度分別達到了-535.56 GHz/RIU和-1902 GHz/RIU，檢測分辨率提升了2-3個數(shù)量級。與其他已發(fā)表的光纖傳感技術(shù)相比，該傳感系統(tǒng)在折射率檢測中表現(xiàn)出更高的靈敏度、分辨率和檢測精度。

為驗證傳感器的生物傳感性能，團隊選擇CEACAM5作為目標(biāo)檢測物。在PBS緩沖液中的測試結(jié)果表明，基于微波光子解調(diào)的傳感系統(tǒng)檢測下限低至0.076 ng/mL，比傳統(tǒng)激光光譜波長解調(diào)方案提升了1個數(shù)量級。對人血清樣本的測試進一步驗證了該系統(tǒng)的實際應(yīng)用價值，三種實驗方案均能準(zhǔn)確區(qū)分不同人血清樣本中標(biāo)志物含量的差異，與醫(yī)院臨床數(shù)值相符。

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圖1 折射率檢測過程中的三種解調(diào)方案的結(jié)果：(a) 不同RIs溶液中的雙波長激光光譜; (b) 激光波長與RI的擬合關(guān)系; (c) 不同RIs溶液的射頻頻譜; (d) 隨RI變化的FSR響應(yīng)及其擬合曲線; (e) RI的第4陷波頻率響應(yīng)及其擬合曲線。

該技術(shù)已通過深圳三甲醫(yī)院臨床樣本驗證，適用于大規(guī)模篩查，具備產(chǎn)業(yè)化潛力。國際同行評審認為：“這項研究為光纖生物傳感開辟了新維度，首次實現(xiàn)微波光子學(xué)與臨床檢測的深度融合，可能重塑癌癥早篩技術(shù)格局。”

南方科技大學(xué)電子與電氣工程系邵理陽課題組博士生胡杰為論文第一作者，南方科技大學(xué)為第一單位，邵理陽和湖南工學(xué)院副教授肖冬瑞為該論文的共同通訊作者。本研究得到國家自然科學(xué)基金、深圳市科技創(chuàng)新局、廣東省自然資源部海洋專項資助支持。

論文鏈接：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.240105