南科大突破微波光子融合光纤传感技术

近日，南方科技大学创新创业学院副院长、电子与电气工程系研究员邵理阳团队在生物医学检测技术领域取得重要突破，研究成果以“High-resolution tumor marker detection based on microwave photonics demodulated dual wavelength fiber laser sensor”为题，正式发表于国际光电子领域顶级期刊Opto-Electronic Advances。该研究首创性提出基于微波光子解调的双波长光纤激光生物传感系统，将肿瘤标志物检测灵敏度提升2-3个数量级，为癌症早期筛查建立了突破性技术方案。

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双波长激光信号的同步激光光谱分析与微波光子解调系统

在全球癌症负担持续加重背景下，血清肿瘤标志物的早期精准检测已成为临床医学关键需求。传统光纤传感器受限于波长解调机制，在检测分辨率与检测下限面临技术瓶颈。研究团队指出，现有技术存在三大核心挑战：纳米功能化修饰导致传感器响应稳定性下降、复杂生物样本易引起非特异性吸附干扰、微弱折射率变化难以被常规光谱手段捕获。

针对上述挑战，团队创新性地设计了一种微纳套索结构光纤传感器，并与光纤Bragg光栅并联，构建了双波长激光输出系统。通过搭建基于色散时延的微波光子解调光路，实现了对双波长激光传感信号的高效解调。在实验中，团队对比了三种不同的解调方案，包括激光光谱波长变化量分析、微波光子解调频谱的FSR减小量分析以及频谱最大Notch频率的减小量分析。

实验结果显示，该激光传感系统基于激光波长解调的折射率灵敏度为1083 nm/RIU，而采用微波光子解调技术的 FSR 减小量分析与最大Notch频率减小量分析的折射率灵敏度分别达到了-535.56 GHz/RIU和-1902 GHz/RIU，检测分辨率提升了2-3个数量级。与其他已发表的光纤传感技术相比，该传感系统在折射率检测中表现出更高的灵敏度、分辨率和检测精度。

为验证传感器的生物传感性能，团队选择CEACAM5作为目标检测物。在PBS缓冲液中的测试结果表明，基于微波光子解调的传感系统检测下限低至0.076 ng/mL，比传统激光光谱波长解调方案提升了1个数量级。对人血清样本的测试进一步验证了该系统的实际应用价值，三种实验方案均能准确区分不同人血清样本中标志物含量的差异，与医院临床数值相符。

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图1 折射率检测过程中的三种解调方案的结果：(a) 不同RIs溶液中的双波长激光光谱; (b) 激光波长与RI的拟合关系; (c) 不同RIs溶液的射频频谱; (d) 随RI变化的FSR响应及其拟合曲线; (e) RI的第4陷波频率响应及其拟合曲线。

该技术已通过深圳三甲医院临床样本验证，适用于大规模筛查，具备产业化潜力。国际同行评审认为：“这项研究为光纤生物传感开辟了新维度，首次实现微波光子学与临床检测的深度融合，可能重塑癌症早筛技术格局。”

南方科技大学电子与电气工程系邵理阳课题组博士生胡杰为论文第一作者，南方科技大学为第一单位，邵理阳和湖南工学院副教授肖冬瑞为该论文的共同通讯作者。本研究得到国家自然科学基金、深圳市科技创新局、广东省自然资源部海洋专项资助支持。

论文链接：https://www.oejournal.org/article/doi/10.29026/oea.2024.240105