北京大学人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰教授和龚旗煌院士课题组首次发现了光学微腔中的界面回音壁模式，并成功实现了单个DNA（脱氧核糖核酸）分子的检测。近日，相关成果以“回音壁光学微腔界面模式的单分子传感研究”（Single-molecule optofluidic microsensor with interface whispering gallery modes）为题，在线发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America）。
回音壁模式光学微腔具有超高的品质因子和较小的模式体积，能够显著增强光与物质相互作用，是实现超高灵敏、非标记光学传感的重要研究体系，在环境监测和疾病早期诊断等领域具有广泛的应用前景。然而，传统回音壁模式光学微腔对光场的约束主要利用其外表面处折射率差形成的等效势垒，微腔外表面处倏逝电磁场强度通常较弱，制约了其传感灵敏度，因此外表面的电磁场强度和微腔品质因子之间存在不可调和的矛盾。
针对上述挑战，本实验室肖云峰教授和龚旗煌院士课题组选择了微型圆泡腔作为传感核心器件，其不但支持超高品质因子光学回音壁模式，而且天然集成了微流通道——有趣的是，此时微泡腔内表面取代外表面成为传感界面。理论分析表明，通过调控壁厚，该微泡腔能够支持三种类型的回音壁模式：壁内模式、界面模式和液芯模式，相应的电磁场峰值分别分布于微腔壁内、内部界面处、液芯内。在以往的报道中，微泡腔传感主要基于壁内或者液芯模式；而课题组创造性地提出利用界面模式实现表面传感，使得该体系在保持高品质因子的同时，显著增强了传感表面处的电磁场强度（图1），从而有效突破传统光学倏逝场传感器的灵敏度限制。
图1 (A)微泡腔传感示意图；(B)微泡腔中的壁内模式、界面模式和液芯模式的典型电磁场分布，界面模式的电磁场峰值恰好位于内部传感表面处
实验上，课题组首先成功制备出壁厚约为1μm的微泡腔，并利用热光效应筛选出高品质的界面模式；进一步将微泡腔接入微流系统构成微流光学传感器。随后，利用三种模式测量链霉亲和素蛋白（Streptavidin）和生物素化牛血清白蛋白（BSA-biotin）之间的特异性吸附，实验结果证实了理论预测，展示出界面模式可以将表面传感灵敏度最大化（图2），其表面探测极限预计可达到0.3pg/cm2；进一步结合各种信噪比增强技术，界面模式的传感灵敏度能够进一步提升。例如，课题组利用金纳米棒的表面等离激元共振对传感器进行二次增强，在微流环境下实现单链DNA分子的检测，单分子吸附信号清晰可见（图3）。
图2 微泡腔中界面模式（红色）、壁内模式（蓝色）、液芯模式（橙色）对蛋白质特异性吸附的响应
图3 (A)界面模式-局域表面等离激元双共振增强表面传感示意图；(B)三种模式对单链DNA分子的响应
上述研究成果以“回音壁光学微腔界面模式的单分子传感研究”（Single-molecule optofluidic microsensor with interface whispering gallery modes）为题，在线发表于《美国国家科学院院刊》（Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, PNAS）；第一作者为北京大学“博雅”博士后俞骁翀（现任教于北京师范大学物理学系）和唐水晶；中国科学院半导体研究所陈幼玲副研究员参与研究并负责理论和数据分析。
相关研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国博士后科学基金，及北京大学高性能计算平台、山西大学极端光学协同创新中心、北京大学长三角光电科学研究院等支持。此项工作开发了微泡腔中的界面模式，增强了传感表面处的电磁场强度，从物理上提高了传感器的光学响应强度，成功实现了具有单分子响应的微流传感器件，对新型微腔传感器件的开发具有指导意义。同时，该方案极佳的可扩展性及微流兼容性使其在微量高灵敏度检测领域具有广泛的应用前景。
信息来源：北京大学物理学院网站
