纳米尺度颗粒检测在疾病的早期诊断、环境监测、易爆物品探测以及半导体制造工艺流程控制等方面具有十分重要的意义。例如在疾病的早期诊断方面，通常感染性病毒（COVID19，HIV，SARS-CoV，EBOV）的尺寸在1 nm到800 nm之间，快速可靠的病毒检测可以为治疗赢得宝贵时间。近年来，光学倏逝场传感器具有超高灵敏度和非标记等独特优势，在精密测量、环境安全、生命健康等多领域应用中发挥着重要作用。在传感过程中，电学噪声广泛分布在光电信号的不同频率处。当电荷流过导体或者电阻时，将会产生强度随频率成反比变化的1/f 噪声。然而，正是由于低频1/f 噪声主要存在的区域与待测信号特征频率区间重叠，导致很多重要生化过程（例如抗原-抗体反应、细胞运动和脱氧核糖核酸杂交等）的动态监测难以实现。

图1. 基于片上波导暗场外差干涉仪的病毒检测。

图2. (a) 1/f 噪声抑制机制；(b) 采样噪声幅度随偏置频率增加而下降；(c)不同偏置频率下的实时信号。
针对上述问题，北京大学纳光电子前沿科学中心，信息科学技术学院电子学系王兴军课题组和物理学院人工微结构和介观物理国家重点实验室肖云峰、龚旗煌课题组合作，提出一种通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法，可对1/f 噪声进行高效抑制（图2(a)），并通过CMOS兼容的暗场外差波导干涉结构实现了纳米尺度单颗粒的超高灵敏度检测（图1）。实验上，研究人员构造频率差为定值的本振光和探针光，采用暗场散射的方式将带有粒子信息的探针光在波导中与本振光干涉形成射频包络，并对包络信号进行实时采样和降噪提取，达到了采样噪声幅度被抑制两个数量级的效果（图2）。利用该结构，成功实现了对半径为30 nm的单个聚苯乙烯颗粒（信噪比超过14 dB）和HIV-1病毒样颗粒（SNR～20 dB）的高灵敏检出（图3）。并且通过对传感信号的统计和分析，检测极限有望进一步提升，并可实现对纳米颗粒尺寸的精确测量（图3）。与此同时，研究人员还提出集成波导阵列的方案，大幅度提升检测速度，并有望实现对多种病毒或分子进行复合型检测（图4）。

图3. 传感器对纳米粒子检测得到的实时信号。（a）半径30 nm聚苯乙烯微球；（b）HIV-1病毒样颗粒；（c）传感器探测极限估计与尺寸测量。

图4. 集成波导阵列实现（a）高速传感；（b）复合型传感。
此项工作通过光学暗场外差干涉仪与频率变换相结合的传感新方法，在集成光学芯片中，将光电传感系统中的采样噪声降低了两个数量级，实现了聚苯乙烯纳米微粒和单个病毒颗粒的高灵敏度检测。此外，借助片上集成CMOS工艺优势，该工作提供了一种低成本、高效的纳米尺度颗粒动态监测平台，有望广泛用于精密测量、环境安全和生命健康等领域。
相关研究成果于2021年3月31日以《1/f 噪声抑制的光学外差干涉传感芯片》（1/f-noise-free optical sensing with an integrated heterodyne interferometer）为题发表在《自然·通讯》（Nat. Commun.）上。北京大学信息科学技术学院博士生金明和物理学院博雅博士后唐水晶是论文的共同第一作者，肖云峰教授和王兴军教授为共同通讯作者。论文的主要合作者包括北京大学工学院陈匡时研究员。研究工作得到了科技部重点研发计划和国家自然科学基金委等的支持。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-021-22271-4