日前，英國?？巳卮髮W(xué)科學(xué)家研制出全球首臺可探測單個分子或離子的微型激光器。這一突破有望大幅推動疾病早期診斷與分子級醫(yī)學(xué)檢測的發(fā)展，也為開發(fā)微型激光生物傳感技術(shù)——包括可實現(xiàn)即時檢測與診斷的“芯片實驗室”提供了新方向。相關(guān)研究成果發(fā)表在最新一期《自然·光子學(xué)》雜志上。

這種微型激光器形如微小的玻璃珠，直徑介于0.01毫米(約一個細菌長度)到0.1毫米(約一根頭發(fā)絲寬)之間。其內(nèi)部設(shè)有一個腔體，如同一個微型反射鏡，使光沿著珠體內(nèi)部邊界不斷環(huán)繞傳播。光線在球體內(nèi)壁持續(xù)循環(huán)，使激光器對其表面的極微弱擾動極為敏感。

團隊在激光器表面修飾了金納米棒，將光壓縮至分子大小并聚焦至納米尺度的“熱點”，以便能放大單個分子或離子在該處結(jié)合時所產(chǎn)生的信號。隨后，他們引入自外差拍頻檢測技術(shù)——當分子或離子在這些納米“熱點”上結(jié)合時，會輕微改變球體內(nèi)順時針與逆時針激光波之間產(chǎn)生的拍頻頻率。系統(tǒng)通過探測頻率的細微變化，而非直接測量極微弱的光強變化，實現(xiàn)了高靈敏檢測。

通過同時追蹤多個激光拍頻信號，團隊能夠確認多個信號內(nèi)發(fā)生的單分子事件，從而提升系統(tǒng)可靠性，并以更高置信度檢測和驗證分子間的相互作用。

團隊表示，他們首次開發(fā)出可在單原子、單分子尺度上進行探測的微型激光器，其探測精度遠超以往，有望用于癌癥、癡呆等疾病的早期診斷，以及病毒的快速檢測。該技術(shù)還能探測蛋白質(zhì)的微小結(jié)構(gòu)變化，例如與酶活性和信號傳導(dǎo)相關(guān)的蛋白質(zhì)構(gòu)象變化——這是現(xiàn)有技術(shù)難以企及的，有望極大深化人們對疾病發(fā)生機制的理解。

這項研究融合了物理、化學(xué)與生物學(xué)的前沿知識，對于將光學(xué)領(lǐng)域的突破轉(zhuǎn)化為切實可行的生物傳感應(yīng)用，具有至關(guān)重要的意義。

審核編輯 黃宇