生物分子检测有望“装进手心”

　　浙江在线6月24日讯（记者 周林怡）在生物医学领域，从疾病早筛到药物研发，生物分子检测都是绕不开的一环。其难度堪比想用肉眼看清一根在微风中摆动的头发丝。

　　最近，西湖大学工学院教授文燎勇带领团队发布了一项最新研究成果：通过原创“辐射调Q复变传感机制”，将分子检测设备压缩至手掌大小，核心芯片成本仅大约5美元，检测灵敏度较传统方法提升超一万倍。

　　这一突破，让原本依赖大型仪器的精准分子检测，有机会进入社区卫生院乃至家庭健康管理场景，真正实现“把分子检测装进手心”。

　　一次意外的信号

　　在西湖大学实验室，记者见到了这套最新检测系统：一块10厘米×10厘米的板材上，仅集成了一枚3D BIC传感芯片、一个LED光源和一个光电探测器——称得上“极简”。

　　一旁，传统设备对比鲜明：十余个支架撑起一组棱镜，研究者需要反复微调角度，才能让光束准确耦合到芯片上，并被探测器稳定接收。“这已经是精简版，进口的整机设备得有一台双开门冰箱那么大。”文燎勇说。

　　为了让设备轻量化，过去二三十年，学界的主流思路是通过提高传感芯片对“共振峰”（光谱中的特征信号峰）漂移的响应灵敏度。共振峰漂移灵敏度越高，就能捕捉到越微弱的信号，从而简化光路。其中，“高Q超表面技术”被认为是一条有潜力的路径。

　　文燎勇起初也沿着这个方向探索。他曾尝试将该技术用于病毒快速检测，却在大批量样本测试中发现，光源位置稍有波动、光路或芯片略有瑕疵，都会导致共振峰漂移，严重干扰对真实信号的判断，且测试依赖昂贵的光源和光谱仪。

　　直到2022年，博士生孙嘉诚在一次传感实验中意外发现：在原本预期只会发生微弱漂移的共振峰附近，竟然出现了另一个信号峰。“这或许是一条全新的信号通道。”文燎勇判断。

　　研究方向的调整也带来了原理上的重要创新。这种检测方式主要读取波峰高度的变化，也就是光强变化，因此不再需要依赖昂贵而笨重的光谱仪，一个小型光电探测器就可以完成信号采集。依靠这一新机制，该系统的光电灵敏度达到约3.3×104mV/RIU（单位折射率变化所引起的输出电压变化），折射率检测极限低至3.36×10-6RIU。换句话说，如果把折射率变化想象成一把1米长的尺子，这套系统能够分辨出其中仅约3微米尺度的细微变化。

　　偶然中的必然

　　“可以说，我们研发过程的每一步都有唯一性。”文燎勇感慨。2019年加入西湖大学后，他一直在攻坚基于高精度微纳结构的传感技术。其中一项关键突破，是“铝基跨尺度3D制造技术”。简单来说，这项技术可以在铝片上通过连续压印和阳极氧化，实现集成纳米、微米到宏观全尺度范围内多种材料的高精度、低成本规模化制造。目前一次就能在8英寸晶圆上印出成千上万枚高一致性的芯片，且两次对准的误差，不超过几纳米。

　　正是这项技术加工出的3D BIC超表面结构，为后来的“意外发现”埋下了伏笔。该结构通过芯片垂直方向上的不对称性来调控光的泄露过程，既能放大光强变化，又能减少对表面形貌的依赖。“这个结构设计足够稳定和精密，意味着芯片对加工误差更宽容，信号读取更稳定，且可以重复批量化制造，试错成本就更低了。”孙嘉诚解释。

　　更让团队兴奋的是，这也为该项技术未来走向规模化生产打开了通道，使其有机会进入更多应用场景。传统超表面光学芯片生产效率低，成本高，一片动辄数千元。而运用现在的技术，单片核心芯片成本已降至5美元，且团队已形成较完整的全链条自研能力，使该技术具备了标准化、工程化和规模化复制的基础。

　　如今回头看，那一次“多出来的峰”之所以没有被当作故障草率放过，恰恰因为团队一直坚持积累原创性、可反复验证的制造能力。“没有前些年扎实的制造工艺积累，再幸运的意外，也可能只是一次会被遗忘的异常数据。”孙嘉诚说。

　　走进百姓家，还有多远

　　成果初现后，文燎勇一直希望能尽快将其推向市场。带着这个愿望，在一次学术会议上，他与厦门大学电磁声学研究院院长朱锦锋教授一拍即合，决定将这款设备应用于肺癌相关小细胞外囊泡的检测。

　　这类囊泡是液体活检领域的重要标志物，但在早期患者体内含量极低，检测难度很大。团队收集了171例临床血清样本，涵盖了早期肺癌患者、术后康复者及健康对照人群。结果显示，该方法的检测灵敏度比传统ELISA方法（酶联免疫吸附测定法）提高约一万倍。在临床血清样本验证中，该平台用于早期肺癌筛查的AUC值（药物在血液中浓度随时间变化曲线下所覆盖的面积，该值是关键的药代动力学参数）达到94.9%，用于术后疗效监测的AUC值达到92.1%。AUC是临床诊断研究中常用来衡量模型区分能力的指标，数值越接近1，说明区分能力越强。这也意味着，它不仅能更早“嗅”到癌变信号，还能辅助医生判断手术效果。

　　为了让这项技术尽早惠及公众，团队已经制作出一台手掌大小的小盒子样机。但文燎勇也坦言，离真正走进百姓家还有不短的路要走。团队正加紧推进临床验证和工程化优化，他们的目标很明确：将这类手掌大小的新型纳米光子生物传感设备，推向基层医疗、桌面化研发和现场检测场景。

　　或许不远的未来，凡是需要高灵敏、无标记、快速捕捉分子结合的场景，这个“掌中宝”都可能派上用场。