技术大神 - 光与生物 何皓博士点评 POCT无标记应用，文末附重要信息

干涉检测技术（BLI，马赫-曾德尔干涉仪）

先来复习下基础光学知识，物理学中，干涉（interference）是两列或两列以上的波在空间中相遇时发生叠加或抵消从而形成新的波形的现象，光学上我们比较熟悉的当然是双孔干涉实验：

采用两条狭缝将一束单色光束分成两束后，再让它们在空间中的某个区域内重叠，将会发现在重叠区域内的光强并不是均匀分布的，会形成干涉条纹。

当一束光照射向薄膜，由于折射率不同，光会在薄膜的上界面与下界面分别发生反射，这两束反射光因相互干涉而形成新的光，这现象称为薄膜干涉。

由于光的波动性，两个界面的反射光可能干涉相长（强度增加）或干涉相消（强度减小），这取决于它们的相位关系。相位关系取决于两个反射光不同的光程，而光程取决于薄膜厚度，光学常数，和波长。

举一个生活中常见的例子，一个肥皂泡就是一个薄膜，但是它的表面厚度不均匀。而光是由不同波长的光波组成的，不同的颜色就从表面上反射出来，通过观察这些不同颜色我们就可以知道薄膜厚度的差异。

谭博士开发的生物膜层干涉技术（Biolayer interferometry，BLI）就是基于薄膜干涉原理的非标记检测技术。

未结合目标分子

结合目标分子后

通过在光纤末端修饰一层生物分子形成这层生物膜，白光照射过来后形成薄膜干涉，通过测量反射光光谱就可以发现不同波长的强度增加和减小。

当待检测分子被生物膜上的生物分子捕获后，这层生物膜厚度增加，导至干涉光波发生相对位移，通过检测光谱位移的大小Δλ就可以得知结合的分子多少。

https://en.wikipedia.org/wiki/Bio-layer_interferometry

除此之外，前段时间讨论火热的Antelope Dx的POCT新冠抗原检测产品则是一种采用了马赫-曾德尔干涉仪原理开发的无标记检测技术。

马赫-曾德尔干涉仪可以用来观测从单独光源发射的光束分裂成两道准直光束之后，经过不同路径与介质所产生的相对相位移动。

（Antelope专利图）

Antelope Dx通过将马赫-曾德尔干涉仪微型化做成了光子集成电路，通过读取经过参考臂和传感臂的光波产生的相移就可以检测到传感臂上捕获的靶标分子。

笔者通过与光子芯片领域的大佬同学咨询后得知，目前如果要实现专利中这种干涉仪结构，批量生产条件下单片芯片成本大概在10块钱人民币这个量级，加上微流控部件，单个耗材成本也并不是高不可攀。

表面等离子体共振技术（Surface plasmon resonance, SPR）

入射光从一种介质A以临界角入射到另一种介质B时，在界面发生全反射现象，在介质B中会有消逝波产生。

当介质B为金属薄膜时，消逝波的横波与金属薄膜表面自由电子发生相互作用，激发表面等离子体波。

当表面等离子体波的波矢与入射光沿介质界面方向的波矢分量相同时，消逝波和表面等离子体波产生耦合现象，光能发生转移，此时入射光的能量被吸收，从而使全反射时的反射光能量大大减弱到一个极小值，此时对应的入射光波长为共振波长，对应的入射角θ为SPR角。

SPR传感器一般有两套检测方案，一套角度调制型SPR测量SPR角，一套波长调制型SPR测量共振波峰。

金属表面待测介质发生变化，引起金属表面折射率发生变化，影响表面等离子体波传播，使得共振峰或SPR角的角度发生变化。

波长调制型SPR

角度调制型SPR

https://www.bruker.com/fr/products-and-solutions/surface-plasmon-resonance.html

SPR传感器就是利用这个原理来进行检测的，将生物分子固定到金属薄膜表面，当生物分子识别并捕获目标分子后，作为待测介质的有效折射率会发生变化，通过计算SPR角或共振峰的位移，就可以得到所需的检测信号。

1990年Biacore公司研发了第一台商用SPR检测仪器，从此SPR传感技术逐渐应用于生物、物理、化学研究以及环境检测、食品安全等各个领域，并且发展迅速。

SPR的通量一般来讲不高，都是一个实验接一个实验的进行，如果需要高通量，目前可以通过表面等离子体共振成像技术（Surface plasmon resonance image, SPRI），即将光束扩束能覆盖整个芯片，芯片上类似蛋白芯片做区域划分修饰不同分子，检测器换成CCD相机就可以实现多分子同时检测。

（Analytical Chemistry, 2014, 86(17), 8857-8864）

简单的光路系统，使得SPR技术的POCT化是挺有潜力的。很多研究利用手机的闪光灯甚至是屏幕做光源，相机做检测器就可以实现生物分子的定量检测。

另外一点，SPR耗材的成本主要集中在芯片的这块，但是SPR芯片一般是可以重复利用，之前科研上都是洗脱、修饰重复使用，如果能做好耗材回收，可能这块也有一定的降低成本可能性。

（Angewandte Chemie International Edition, 2012, 51.46, 11585-11588.）

体声波（Bulk Acoustic Wave，BAW）谐振器

不同于前面两种光学传感器间接测量目标分子，BAW谐振器是一种直接的质量检测传感器。

通过施加交变电场，器件中的压电晶体会在电场方向产生形变，从而在压电振荡堆中激发了体声波。器件表面吸附待检测分子后，表面压力发生变化进而会造成其谐振频率的变化。

QCM是一种较为常用且十分成熟的体声波器件，利用了石英晶体的压电特性。

当石英晶振片工作电极上出现沉积、吸附等现象，发生质量变化，会导至石英晶振片振荡电路的输出电信号发生频率变化，从而可以通过电信号记录设备获得检测信号。

理论上来说可以测量到ng级别的质量变化。根据Sauerbrey理论方程，固有谐振频率为10 MHz，工作电极敏感区域为直径6 mm的圆石英晶振片，表面发生1 μg的质量变化，晶体谐振频率会下降837 Hz，考虑到信噪比及频率检测分辨率，QCM能够达到1 ng级别的质量检测，也就是说1 mL浓度为1 ng/mL的样本需要待测分子全部被捕获到器件表面才能被检测到。

QCM的频率和石英晶体厚度呈负相关，高频率的芯片需要非常薄的晶片，这对加工和芯片强度有很大影响。

https://www.biolinscientific.com/blog/qcm-d-how-does-it-work

薄膜体声波谐振器（Thin-film bulk acoustic resonator，FBAR or TFBAR）是采用硅底板，借助MEMS技术和薄膜技术制造而来实现的一种谐振器技术。

压电薄膜的厚度范围可以从几微米到十分之一微米，器件可以实现从大约100 MHz到20 GHz的频率范围内变化，因此可以实现更高的检测灵敏度。

除了这两天火热的半导体大佬Qorvo跨界做IVD，这个领域还有Sorexensors和Airspec都有芯片在售，质量灵敏度（和上面一样不是浓度）都能到1 pg水平。

不过加工工艺要求太高，目前高频BAW谐振器基本上都是国外垄断，且形成了一套完整的专利保护体系。

表面声波（Surface Acoustic Wave，SAW）

除了体声波，英国科学家Rayleigh在19世纪末发现了在固体表面传播的声波，即表面声波SAW，近几十年来人们对SAW基本性质的认识越来越深入。

1965年美国White 和Voltmer发明了能在压电晶体材料表面上激励表面波的金属叉指换能器IDT，使得SAW的应用越来越广泛。

SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物,它由振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成。SAW传感器的核心部件是振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成。

金属电极材料被蒸发或溅射到压电基片上成叉指状，形成产生表面声波的部件。沿基片传播的表面声波由叉指电极激励，当基片或基片上覆盖的特异薄膜材料受被测对象调制时，例如抗原结合到表面，其表面声波的工作频率将改变并由接收叉指电极接收，从而实现检测的目的。

(Sensors, 2018, 18.1, 255)

相比BAW，SAW优势在于成本低，技术成熟且产品一致性高。不过由于加工工艺限制，叉指电极之间的距离无法突破，而频率主要受电极间距影响，因此SAW器件的工作频率最高只能达到2.5GHz的水平。

此外，由于液体环境会衰减表面波的传播，SAW器件在生物液相中的应用也受到限制，目前一般用于气体检测，例如生化毒气检测。

总结
综上，这些无标记检测技术基本上都可以做到实时检测、器件微型化，而且成本目前来看已经达到可控的程度，结合微流控技术应该可以在POCT领域发挥相应的作用。

同时也具备升级潜力，检测灵敏度可以通过加个信号放大的标记步骤来解决（失去了本身的优势），比如加个质量大的微球标记的一抗就可以提高这些质量传感器的检测灵敏度。

而大家比较关心的非特异性吸附，一方面是做好表面的修饰工作，另外就是靠多个参比通道进行降噪，结合洗脱过程也不是那么不可控制。
 
重要信息
目前光与生物的SAW芯片和QCM整套技术现已Ready，寻求合作开发，有意者添加下方小编微信，给您推送合作者联系方式。
 
作者介绍
何皓，博士，深圳市光与生物科技有限公司创始人。中科大少年班，悉尼科技大学博士。

光与生物是一家在精准医疗领域，依托稀土发光免疫层析、稀土发光单分子检测以及无标记传感等精准检测技术，为疾病发现、治疗及药物研发过程提供产品及解决方案的技术公司。致力于在诊断中更早发现疾病，及时干预；在治疗中精准监测，提高疗效；在药物研发中精准检测，降低成本。