新(xīn)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(néng)够快速且准确地检测这些作為(wèi)感染源的微生物(wù)的测试方法。

最近几年，韩國(guó)一个研究小(xiǎo)组一直在开发这样一种敏感且灵活的测试平台。现在，他(tā)们已经提高了测试的速度、灵敏度和可(kě)靠性，正在向临床应用(yòng)迈进。[1]该研究小(xiǎo)组使用(yòng)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(kě)以结合特定的目标生物(wù)體(tǐ)DNA。当分(fēn)子与SMR结合时，有(yǒu)效折射率会发生变化，从而改变谐振波長(cháng)。通过测量波長(cháng)扫描激光源的光功率变化，可(kě)以确定谐振波長(cháng)的变化。

这项创新(xīn)使用(yòng)球透镜来优化输入和输出的耦合，从而改善设备的性能(néng)。

单步测量

理(lǐ)想的临床测试，能(néng)通过一个易于使用(yòng)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(xīn)。该研究小(xiǎo)组由来自韩國(guó)延世大學(xué)和其他(tā)三个韩國(guó)组织的成员组成，他(tā)们将围绕灵敏的SMR开展工作。

SMR是在小(xiǎo)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線(xiàn)性波导相邻时，延伸到線(xiàn)性波导外部的瞬逝场，将在环形谐振波長(cháng)上传递能(néng)量。对于一个宽带光源，这种能(néng)量转移显示為(wèi)通过線(xiàn)性波导传输的功率谱密度的下降。在这个实施过程中，韩國(guó)研究人员使用(yòng)了一个带有(yǒu)四个SMR的设备：他(tā)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(xīn)的生物(wù)化學(xué)检测方法。

他(tā)们将前向DNA引物(wù)结合到三个传感SMR的表面，并将传感器浸入含有(yǒu)额外引物(wù)、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(wù)相匹配，该DNA就会在与SMR结合的引物(wù)上进行原地复制。在SMR的共振模式中，很(hěn)大一部分(fēn)能(néng)量处在消逝波中，所以波导中的光和结合在SMR表面的分(fēn)子之间，会产生很(hěn)大的相互作用(yòng)。

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(kě)能(néng)导致发热，是一种严重的人类疾病。共振波長(cháng)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(fēn)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(yòng)。為(wèi)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線(xiàn)。这带来了两个额外的好处：首先，它增加了線(xiàn)性波导中输入光的聚焦深度，也就是说，光束在更長(cháng)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(kě)靠性的要求；下一步将是临床验证

真实世界的测试

更新(xīn)后的传感器配置，将来自中心波長(cháng)為(wèi)1550nm的扫频可(kě)调谐激光器的光送入保偏光纤，然后送入一个定制的、直径為(wèi)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(néng)化谐振环和单个非功能(néng)环接近传播。透射光被一个匹配的球透镜/光纤组件收集，然后被一个光電(diàn)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(yòng)性。

在操作中，当波長(cháng)扫过所需的范围时，传感區(qū)被浸入酶/引物(wù)/分(fēn)析物(wù)溶液中，监测SMR共振的任何变化。在目标分(fēn)析物(wù)存在的情况下，更多(duō)的分(fēn)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(néng)。经过20分(fēn)钟的测试等待后，9名Coxiella burnetii感染者与9名由其他(tā)原因引起的发热患者被明确地區(qū)分(fēn)开来。

该传感器还可(kě)以被修改為(wèi)检测其他(tā)传染病原體(tǐ)，只需改变引物(wù)的设计。研究小(xiǎo)组成员、韩國(guó)延世大學(xué)的Yong Shin教授说，他(tā)们现在正在测试更大的临床样本群，并且正在走向“将光學(xué)传感器在临床应用(yòng)中商(shāng)业化”的道路。