新冠疫情（COVID-19）的爆發(fā)表明，首先，不斷變化的氣候和無(wú)法阻擋的全球化腳步，增加了人們被傳染的風(fēng)險(xiǎn)。第二，我們需要能夠快速且準(zhǔn)確地檢測(cè)這些作為感染源的微生物的測(cè)試方法。

最近幾年，韓國(guó)一個(gè)研究小組一直在開(kāi)發(fā)這樣一種敏感且靈活的測(cè)試平臺(tái)?，F(xiàn)在，他們已經(jīng)提高了測(cè)試的速度、靈敏度和可靠性，正在向臨床應(yīng)用邁進(jìn)。[1]該研究小組使用的傳感器是圍繞硅微環(huán)諧振器（SMR）建立的，其表面經(jīng)過(guò)修改，可以結(jié)合特定的目標(biāo)生物體DNA。當(dāng)分子與SMR結(jié)合時(shí)，有效折射率會(huì)發(fā)生變化，從而改變諧振波長(zhǎng)。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)掃描激光源的光功率變化，可以確定諧振波長(zhǎng)的變化。

這項(xiàng)創(chuàng)新使用球透鏡來(lái)優(yōu)化輸入和輸出的耦合，從而改善設(shè)備的性能。

單步測(cè)量

理想的臨床測(cè)試，能通過(guò)一個(gè)易于使用的流程，快速提供準(zhǔn)確的測(cè)試結(jié)果。對(duì)快速、準(zhǔn)確和簡(jiǎn)單性的要求，往往會(huì)使設(shè)計(jì)朝著不同的方向發(fā)展，所以開(kāi)發(fā)不僅需要嚴(yán)謹(jǐn)，而且需要?jiǎng)?chuàng)新。該研究小組由來(lái)自韓國(guó)延世大學(xué)和其他三個(gè)韓國(guó)組織的成員組成，他們將圍繞靈敏的SMR開(kāi)展工作。

SMR是在小型圓形環(huán)中形成的硅波導(dǎo)。幾何形狀和折射率決定了諧振頻率。當(dāng)一個(gè)環(huán)形諧振器與一個(gè)線性波導(dǎo)相鄰時(shí)，延伸到線性波導(dǎo)外部的瞬逝場(chǎng)，將在環(huán)形諧振波長(zhǎng)上傳遞能量。對(duì)于一個(gè)寬帶光源，這種能量轉(zhuǎn)移顯示為通過(guò)線性波導(dǎo)傳輸?shù)墓β首V密度的下降。在這個(gè)實(shí)施過(guò)程中，韓國(guó)研究人員使用了一個(gè)帶有四個(gè)SMR的設(shè)備：他們將一個(gè)SMR埋在氧化硅中以監(jiān)測(cè)溫度影響，將另外三個(gè)SMR從氧化層中蝕刻出來(lái)，并實(shí)施了一種創(chuàng)新的生物化學(xué)檢測(cè)方法。

他們將前向DNA引物結(jié)合到三個(gè)傳感SMR的表面，并將傳感器浸入含有額外引物、酶和測(cè)試樣品的溶液中。傳感器保持在38°C，如果樣品DNA與引物相匹配，該DNA就會(huì)在與SMR結(jié)合的引物上進(jìn)行原地復(fù)制。在SMR的共振模式中，很大一部分能量處在消逝波中，所以波導(dǎo)中的光和結(jié)合在SMR表面的分子之間，會(huì)產(chǎn)生很大的相互作用。

研究人員在臨床上通過(guò)感染柯薩奇菌（Coxiella burnetii）的患者驗(yàn)證了共振的變化。這是一種難以診斷的感染，可能導(dǎo)致發(fā)熱，是一種嚴(yán)重的人類疾病。共振波長(zhǎng)的變化與未受感染的病人的特征明顯不同，整個(gè)檢測(cè)過(guò)程只需30分鐘。[2]

靈敏度和速度都達(dá)到了要求，但是該傳感器需要仔細(xì)對(duì)準(zhǔn)輸入光束，這限制了其在臨床的使用。為了減少對(duì)入射光對(duì)準(zhǔn)的敏感性，研究人員在光纖上增加了球透鏡，以耦合進(jìn)出傳感器的光線。這帶來(lái)了兩個(gè)額外的好處：首先，它增加了線性波導(dǎo)中輸入光的聚焦深度，也就是說(shuō)，光束在更長(zhǎng)的距離內(nèi)保持更窄的聚焦，這最大限度地提高了與SMR的耦合；第二，光進(jìn)入和離開(kāi)傳感器的耦合也得到了改善，帶來(lái)了更高的信噪比，也就是更高的探測(cè)靈敏度。

現(xiàn)在，這個(gè)設(shè)計(jì)已經(jīng)滿足了對(duì)靈敏度、速度和可靠性的要求；下一步將是臨床驗(yàn)證

真實(shí)世界的測(cè)試

更新后的傳感器配置，將來(lái)自中心波長(zhǎng)為1550nm的掃頻可調(diào)諧激光器的光送入保偏光纖，然后送入一個(gè)定制的、直徑為300μm的球透鏡。球透鏡將光束引導(dǎo)到SMR傳感器波導(dǎo)中，在那里光束與三個(gè)功能化諧振環(huán)和單個(gè)非功能環(huán)接近傳播。透射光被一個(gè)匹配的球透鏡/光纖組件收集，然后被一個(gè)光電二極管檢測(cè)。兩個(gè)球透鏡組件被自動(dòng)對(duì)準(zhǔn)，以產(chǎn)生最大的吞吐量（見(jiàn)圖1）。

圖1：球透鏡耦合，提高了基于硅微環(huán)諧振器的傳感器的靈敏度和易用性。

在操作中，當(dāng)波長(zhǎng)掃過(guò)所需的范圍時(shí)，傳感區(qū)被浸入酶/引物/分析物溶液中，監(jiān)測(cè)SMR共振的任何變化。在目標(biāo)分析物存在的情況下，更多的分子被結(jié)合到表面，產(chǎn)生更大的共振位移。研究人員通過(guò)測(cè)量來(lái)自18個(gè)不同發(fā)熱病人的臨床樣本，驗(yàn)證了該傳感器的性能。經(jīng)過(guò)20分鐘的測(cè)試等待后，9名Coxiella burnetii感染者與9名由其他原因引起的發(fā)熱患者被明確地區(qū)分開(kāi)來(lái)。

該傳感器還可以被修改為檢測(cè)其他傳染病原體，只需改變引物的設(shè)計(jì)。研究小組成員、韓國(guó)延世大學(xué)的Yong Shin教授說(shuō)，他們現(xiàn)在正在測(cè)試更大的臨床樣本群，并且正在走向“將光學(xué)傳感器在臨床應(yīng)用中商業(yè)化”的道路。