撰稿 | 课题组供稿

导读

针对生物样本机械性能的高通量测量难题，重庆大学光电工程学院朱涛教授、龚朝阳教授团队，重庆大学医学院罗阳教授、杨纪春副教授团队，以及新加坡南洋理工大学Yu-Cheng Chen教授合作，提出激光发射振动显微术，利用声波实现了生物流体粘滞系数的高通量感知。该技术有望在力学生物标志物发现和心血管疾病的早期筛查中发挥重要作用，尤其在高脂血症检测方面展现出高通量、快速、低成本等显著优势，具有广阔的临床应用前景。

研究背景

生物流体的机械特性（如粘度、表面张力）能揭示早期生理和病理变化，可作为疾病早期诊断的重要指标。然而，现有技术受限于检测速度，难以实现生物流体机械特性的高通量提取，严重制约了其在临床医学检测中的应用。超高的品质因子光学微腔可显著增强光与物质相互作用，在生物力学感知领域表现出巨大的潜力。本文提出基于回音壁模式微腔的激光发射振动显微术，突破了传统光学微腔难以获取本征机械特性的局限，利用声波实现了生物流体粘滞系数的高通量感知。该方法通过主动施加声波刺激，利用回音壁模式激光感知待测物对声波的响应实现机械特征提取。实验演示了该技术在高血脂症的高通量、快速筛查方面的应用潜力。

创新研究

（1）探究声波与回音壁模式微腔的作用机制研究团队首先在超疏水表面打印含有增益介质的液滴。该液滴因其光滑表面支持高Q值回音壁模式，可实现激光输出。通过利用压电陶瓷施加声波刺激，微滴可产生周期性的形变（如图1a所示）。研究团队通过监测激光光谱影像的时域演化，研究了声波与微滴激光器的耦合机制（如图1b所示）。实验发现，在声波刺激下的光谱影像在不同时刻呈现出明显的谐振方向差异。该现象归因于液滴产生的周期性机械振动迫使回音壁模式按照特定方向谐振。研究团队利用光谱相关度对液滴的机械振动进行量化（如图1c所示）。通过构建相关度标准差与粘度的校准曲线（如图1d所示），实现了对微滴机械振动的测量。

图1. 激光发射振动显微技术。a，概念说明。b，超声刺激下时域激光光谱影像演化。c，时域光谱相关度曲线。d，标定曲线。

（2）实现液滴粘滞系数的快速扫描研究团队利用激光发射显微术实现了液体粘滞系数的快速测量。借助于商用喷墨打印机实现了液滴阵列的高效制备（如图2a所示）。利用载台扫描，实现了液滴粘度高速测量（如图2b所示），并快速获取阵列中每个液滴的机械特性信息（如图2c所示）。实验证实，在90分钟内可完成对4.8 mm×1.8 mm区域内超过5400个微滴的粘度测量，充分展示了该技术在高通量测量中的巨大应用潜力。

图2. 微滴激光器阵列。a，利用打印机制备的微滴阵列荧光图像。b，微滴阵列单个微滴的荧光图像与粘度图。c，微滴阵列粘度映射图。

（3）高血脂症高通量筛查为了验证传感器在真实复杂生物流体环境中的传感性能，研究团队尝试将光声微滴传感器应用于高血脂症的检测。最终在25分钟内实现了超过2000个血清微滴高通量筛查。结果显示，高血脂症不同严重程度的血清样本的粘度呈现四个阶段（正常，轻度，中度，重度），该结果与血液中的总胆固醇水平呈强相关。得益于液滴极小的体积（~ 4.2 pL），一滴血清样本（~ 30 μL）理论上可支持超过7000000次测量。本文提出的激光发射振动显微术是一种高通量传感平台，可应用于生物流体本征机械特性快速检测。该研究有望在力学生物标志物发现和高通量、低成本临床诊断中开启新的可能。

图3. 高血脂症的高通量筛查。a，制备血清微滴阵列示意图。b，正常人血清样本粘度图。c，高血脂症患者血清样本的粘度图。d，不同高血脂症阶段血清粘度的高通量测量。e，血清粘度与血液中总胆固醇水平关系图。 

总结展望

研究团队提出激光发射振动显微术，能够实现对生物流体的本征机械特性的高通量、快速定量分析。该方案突破了传统光学微腔难以量化待测物本征机械特征的局限，为生物系统本征机械特性感知提供了新思路，也为高通量大规模心血管风险筛查开辟了新工具。（来源：LightScienceApplications微信公众号）

相关论文信息： https://doi.org/10.1038/s41377-025-02015-5