Advanced Photonics封面| 生物分子的光谱指纹

光子条形码利用光学信息的自由度，在既定的编码规则下形成一种独特的光谱指纹。近年来，微/纳米光子条形码已被广泛应用于多重生物测定、细胞标记、编码、防伪和信息安全等方面。通常，光子条形码的概念是指对应于单个目标的固定光谱图案。因此，在传统方法中，不仅光子条形码的复杂度受到载体分子的光谱宽度的限制，而且其本身也缺失时间动态特性。

图1 动态光子条形码产生示意图

光学微腔能够将光子限制在模式中，凭借其增强光与物质相互作用的能力，在生物医学应用中受到广泛关注。回音壁模式(Whispering Gallery Mode, WGM)微腔具有非常高的品质因数（Q因子）和小模式体积，能够产生具有一系列尖峰的光谱。绝大多数回音壁模式微腔被归类为无源腔，它们的激发和收集需要倏逝场的耦合，并且基于倏逝场中扰动引起的模式变化来工作。相反，有源的回音壁模式微腔利用生物分子作为增益介质，支持自由空间激发和收集，可以将生物分子独特的信息映射到光谱中。因此，结合生物分子，WGM可以提供一种创新的、高自由度的光谱编码系统。

近期，新加坡南洋理工大学陈又诚教授研究团队提出在微腔界面引入共振能量转移（如图2(a)-(b)），实现了时间分辨的动态光子条形码（如图2(c)所示）。这项工作为把生物分子信息转换成光子条形码提供了创新的物理机制和解决方案，可以将动态的生物分子信息转换成数万亿个独特的光子条形码。该研究成果以Dynamic Photonic Barcodes for Molecular Detection Based on Cavity-Enhanced Energy Transfer为题，发表于Advanced Photonics 2020年第6期，并被选为封面文章。

图2（a）腔体增强能量转移的概念图；（b）解释腔界面能量转移和光子条形码的示意图。顶端部分说明了在微腔边界附近有或没有受体时的回音壁模式，底端是发生能量传输之前和之后的相应光谱和光子条形码；（c）来自生物分子的动态光谱和对应的光子条形码

当考虑分子检测时，腔外分析物的模式占据因子仅有腔内的几十分之一（如图3所示），导致有效品质因数降低，信噪比难以令人满意。共振能量转移的概念是在腔体界面处分离供体与受体，伴随着电磁辐射，分离的供体与受体之间得以发生能量转移（不同于传统的非辐射荧光能量转移，Fluorescence resonance energy transfer，FRET）。在腔体增强的机制下，供体与受体之间有效的耦合及能量转移使得光与物质相互作用增强，信噪比增大。

图3 仿真结果（a-b）TM模式的径向分布，（c-d）腔体不同平面的电场强度热点分布图

在界面处，共振能量传输的发生得益于微腔共振的倏逝场，倏逝场的存在使得腔外的分子得以耦合到共振中，腔内高浓度的供体分子触发腔体增强的能量转移，从而激发腔外的受体分子。随着腔外受体分子浓度的变化，能量转移的效率也发生变化，从而生成独特的调制荧光光谱，动态光谱的条形码也因此产生。

陈又诚教授研究团队从理论计算和实验两个角度对物理机制进行了解释，证明了辐射能量传移占主导地位，演示了产生光子条形码的过程，并探究了微腔尺寸和供体受体比对光子条形码响应的作用。此外，研究团队还发现：面对不同的分子，光谱的响应或者说光子条形码的响应是不同的。

该研究所展示的生物分子编码系统利用分子间相互作用的机理，极大地提高了编码系统的复杂程度，为在微纳尺度中实现分子实时监测、多路复用检测、光学信息加密和信息存储等应用点亮了一盏明灯。