新型传感器可快速检测传染病原体

新冠疫情（COVID-19）的爆发表明，首先，不断变化的气候和无法阻挡的全球化脚步，增加了人们被传染的风险。第二，我们需要能够快速且准确地检测这些作为感染源的微生物的测试方法。

最近几年，韩国一个研究小组一直在开发这样一种敏感且灵活的测试平台。现在，他们已经提高了测试的速度、灵敏度和可靠性，正在向临床应用迈进。[1]该研究小组使用的传感器是围绕硅微环谐振器（SMR）建立的，其表面经过修改，可以结合特定的目标生物体DNA。当分子与SMR结合时，有效折射率会发生变化，从而改变谐振波长。通过测量波长扫描激光源的光功率变化，可以确定谐振波长的变化。

这项创新使用球透镜来优化输入和输出的耦合，从而改善设备的性能。

单步测量

理想的临床测试，能通过一个易于使用的流程，快速提供准确的测试结果。对快速、准确和简单性的要求，往往会使设计朝着不同的方向发展，所以开发不仅需要严谨，而且需要创新。该研究小组由来自韩国延世大学和其他三个韩国组织的成员组成，他们将围绕灵敏的SMR开展工作。

SMR是在小型圆形环中形成的硅波导。几何形状和折射率决定了谐振频率。当一个环形谐振器与一个线性波导相邻时，延伸到线性波导外部的瞬逝场，将在环形谐振波长上传递能量。对于一个宽带光源，这种能量转移显示为通过线性波导传输的功率谱密度的下降。在这个实施过程中，韩国研究人员使用了一个带有四个SMR的设备：他们将一个SMR埋在氧化硅中以监测温度影响，将另外三个SMR从氧化层中蚀刻出来，并实施了一种创新的生物化学检测方法。

他们将前向DNA引物结合到三个传感SMR的表面，并将传感器浸入含有额外引物、酶和测试样品的溶液中。传感器保持在38°C，如果样品DNA与引物相匹配，该DNA就会在与SMR结合的引物上进行原地复制。在SMR的共振模式中，很大一部分能量处在消逝波中，所以波导中的光和结合在SMR表面的分子之间，会产生很大的相互作用。

研究人员在临床上通过感染柯萨奇菌（Coxiella burnetii）的患者验证了共振的变化。这是一种难以诊断的感染，可能导致发热，是一种严重的人类疾病。共振波长的变化与未受感染的病人的特征明显不同，整个检测过程只需30分钟。[2]

灵敏度和速度都达到了要求，但是该传感器需要仔细对准输入光束，这限制了其在临床的使用。为了减少对入射光对准的敏感性，研究人员在光纤上增加了球透镜，以耦合进出传感器的光线。这带来了两个额外的好处：首先，它增加了线性波导中输入光的聚焦深度，也就是说，光束在更长的距离内保持更窄的聚焦，这最大限度地提高了与SMR的耦合；第二，光进入和离开传感器的耦合也得到了改善，带来了更高的信噪比，也就是更高的探测灵敏度。

现在，这个设计已经满足了对灵敏度、速度和可靠性的要求；下一步将是临床验证

真实世界的测试

更新后的传感器配置，将来自中心波长为1550nm的扫频可调谐激光器的光送入保偏光纤，然后送入一个定制的、直径为300μm的球透镜。球透镜将光束引导到SMR传感器波导中，在那里光束与三个功能化谐振环和单个非功能环接近传播。透射光被一个匹配的球透镜/光纤组件收集，然后被一个光电二极管检测。两个球透镜组件被自动对准，以产生最大的吞吐量（见图1）。

图1：球透镜耦合，提高了基于硅微环谐振器的传感器的灵敏度和易用性。

在操作中，当波长扫过所需的范围时，传感区被浸入酶/引物/分析物溶液中，监测SMR共振的任何变化。在目标分析物存在的情况下，更多的分子被结合到表面，产生更大的共振位移。研究人员通过测量来自18个不同发热病人的临床样本，验证了该传感器的性能。经过20分钟的测试等待后，9名Coxiella burnetii感染者与9名由其他原因引起的发热患者被明确地区分开来。

该传感器还可以被修改为检测其他传染病原体，只需改变引物的设计。研究小组成员、韩国延世大学的Yong Shin教授说，他们现在正在测试更大的临床样本群，并且正在走向“将光学传感器在临床应用中商业化”的道路。