回音壁模式激光生物传感

江苏激光联盟指南：

据报道，回音壁模式（WGM）微谐振器开辟了许多新的研究方向，使蛋白质、酶的检测成为可能DNA甚至是一个分子。新型传感器利用有源环腔微谐振器极大地扩展了 WGM 传感器应用的功能和范围，特别是在生物和化学分析方面。英国埃克塞特大学的研究人员回顾了 WGM 微腔激光器在生物传感领域的最新进展，并为令人振奋的新研究方向和新兴的 WGM 传感器应用提供了前景。

早在19世纪，英国著名科学家雷利勋爵（Lord Rayleigh）就首先使用了“耳语画廊模式” ，又名“回声壁模式”，描述声波在圣保罗大教堂圆顶内传播的原理。现在回波壁波模式可用于描述任何波在凹面周围传播的影响。与这种效应相反，W??GM 微腔激光器中的光被几乎全内反射限制并绕过典型的球形腔，例如玻璃珠。光的干涉导致 WGM 发生光学共振。 WGM 可以局限于腔体几何形状，例如圆盘、环形或变形的六边形谐振器。 WGM 微腔的独特特性，例如腔中光子的长寿命和小体积模式，使其成为构建具有低激光阈值的 WGM 微激光器的绝佳候选者，该激光器显示出窄光谱线宽。与传统激光器类似，WGM 微腔激光器由三个主要部件组成：增益介质、泵浦源和光学谐振腔（此处为 WGM 谐振腔）。增益介质定义了激光发射的大部分光谱、时间和功率特性。众所周知，第一台WGM激光器是由高度抛光的结晶氟化钙（CaF2）球制成，直径为1-2毫米。稀土离子钐 (Sm2+) 用作光学增益掺杂剂。

伦敦圣保罗大教堂的耳语画廊（图片来源：维基百科）

Theodore Maiman 在 60 年前首次报道了自然界中的红宝石 自从激光辐射以来，激光在光学中发挥了至关重要的作用。激光实验促进了量子光学理论和许多不同应用的发展，例如在制造、成像、光谱学、计量学和传感方面的应用。在过去几年中，由于在缩小实验室实验与实际应用之间的差距方面取得了进展，微型激光器，尤其是回音壁模式（WGM）？微腔激光器在化学和生物传感方面的应用有所增加。之前的研究报道了 WGM 激光在生物传感中的许多激动人心的应用，例如在活细胞中发射激光、监测心脏组织的收缩性、检测生物界面的分子静电变化以及检测无标签的单个病毒。粒子和体内传感的发展。带有液芯光学环形谐振器 (LCORR) 的 WGM 微型激光器可以检测作为流体引入薄壁玻璃毛细管芯的增益介质的特性，从而为检测健康生物标志物（如 DNA 和蛋白质分子）提供良好的灵敏度.

Mayman 和他的激光（1960 年 7 月） 图片来源：维基百科

许多光学平台可能适用于生物学和化学中的无标记传感 潜在有用。包括使用等离子体纳米结构和纳米粒子的光学传感器、光子晶体、锥形光纤、零模波导和无源 WGM 谐振器。这些微米级和纳米级光学平台已被用于一些最苛刻的生物传感任务，例如检测单个分子和检测单个甲型流感病毒颗粒和其他纳米颗粒。使用 WGM 微型激光器进行化学和生物传感可以提供其他光学传感器平台上不容易获得的传感方法。例如，通过检测相对明亮的激光的发射，其频率与自由空间激发光束的频率在光谱上很好地分离，促进了使用 WGM 微腔激光器的体内传感。此外，由于激光线的线宽较窄，WGM微腔激光器可以为分子提供潜在的非常高的检测灵敏度，从而可以检测单个分子引起的频移。在这里，研究人员旨在通过 WGM 微腔激光器全面概述生物和生化传感的新兴领域。

单细胞微探针和纳米探针

标记单个活细胞的物理和化学特性并在体内实时传感 一生物传感的主要目标。尽管生物相容性要求对所使用的微传感器提出了许多挑战，但几种光子微探针和纳米探针技术已成功用于此类应用。成功方法的一个例子依赖于修改具有不同传感纳米结构的光纤，理想情况下不会影响细胞的生存能力。具体而言，已经证明将标记有荧光 CdSe@ZnS 链霉亲和素 QDs（最大发射波长为 655nm）的 SnO2 纳米线波导插入细胞质可用于体内内窥镜检查和受控递送（如图所示）1）。通过锥形光纤的光泵浦将产生位于尖端附近的渐逝场，纳米线在此处被物理切割，因此适用于局部内窥镜检查和光谱分析。

文章来源：《光谱学与光谱分析》 网址: http://www.gpxygpfxzz.cn/zonghexinwen/2021/0707/444.html