由郑州轻工业大学、湖南师范大学牵头，联合郑州大学、四川大学、澳门大学等单位的研究团队完成的成果 “Liquid photonic-molecule microlasers for ultrasensitive biosensing” 近期被《Nature Communications》接收（接收日期 2025 年 10 月 22 日，录用日期 2026 年 2 月 11 日）。该团队首次实现基于耦合液滴微谐振器的液体光子分子（LPM）微激光器，攻克了传统回音壁模式（WGM）液滴微激光器激射阈值高、光谱纯度低、传感灵敏度有限的核心难题，实现了 610 nJ mm⁻² 的低阈值单模激射，光谱灵敏度较单液滴提升近 10 倍，生物分子检测限低至 30 aM，动态范围跨越 9 个数量级，为超灵敏无标记生物传感搭建了全新的光子学平台。
WGM 液滴微激光器因柔性可重构、对环境扰动高度敏感、具备无标记传感能力等优势，成为生物光子学和生物医学领域的研究热点，但其发展受限于两大核心问题：一是多模激射导致光谱纯度低，光谱响应对外部刺激的分散性严重制约传感灵敏度；二是高激射阈值易对生物样品造成光毒性和热损伤，难以满足活体长期监测需求。而光子分子通过耦合多个谐振器实现模式选择，是构建单模微激光器的有效手段，却因液体环境中难以实现液滴谐振器的稳定耦合和精准模式调控，迟迟未能在液滴体系中实现突破。针对这一痛点，研究团队创新性地将光子分子概念与液滴微激光器结合，设计了全新的 LPM 体系。
团队构建的 LPM 由两个尺寸失配的染料掺杂油滴构成，在水环境中通过倏逝场的空间强重叠实现光学耦合，核心利用光谱游标重叠效应压制冗余激射模式，仅保留双谐振器共谐振的单一模式，实现高纯度单模激射。实验中采用微流控芯片制备高均一性的单分散液滴，通过微毛细管精准转移并实现液滴的可控接触，形成稳定的 LPM；同时将光异构螺吡喃分子选择性掺杂入大液滴，利用紫外 / 可见光调控下的分子异构化反应，改变液滴有效折射率，打破原有模式匹配并重构游标重叠，实现 LPM 单模激射的动态可调谐与模式跳变，为灵敏度放大奠定基础。
该 LPM 在激射性能上实现了关键突破，其一为低阈值单模激射：LPM 形成的离域超模大幅降低了单液滴的多模竞争，有效提升了激射模式的增益利用率，激射阈值低至 610 nJ mm⁻²，较单液滴微激光器降低近 10 倍，且是目前鲜有报道的低于 1 μJ mm⁻² 的单模液滴激光器，边模抑制比超 10 dB，单模输出可在 10 nm 范围内灵活调谐。其二为光谱灵敏度的放大效应：LPM 的模式跳变会将单液滴的微小波长偏移放大，团队通过调控液滴尺寸比实现了放大因子（M 因子）的灵活调控，当液滴尺寸差缩小时，M 因子最高达 9.7，实现了近 10 倍的光谱灵敏度提升，且该放大效应可通过进一步优化液滴尺寸匹配度持续增强。
基于优异的激射特性，团队将 LPM 开发为超灵敏生物传感器，通过链霉亲和素 - 生物素相互作用对 LPM 的小液滴进行界面功能化修饰，利用抗体 - 抗原的特异性结合引发液滴界面的折射率微变。这种微变虽难以通过单液滴光谱偏移识别，却会破坏 LPM 的游标重叠，导致激射模式的强度发生显著交替。团队提出自参考的模式强度响应机制，通过监测不同激射模式的强度比实现传感信号读取，有效抵消了泵浦功率漂移、整体折射率变化等共模噪声，大幅提升了传感的准确性和抗干扰能力。
实验以牛血清白蛋白（BSA）为检测目标，实现了 30 aM 的超低检测限，较单液滴微激光器提升 3 个数量级，检测动态范围覆盖 aM 到 nM 共 9 个数量级，且传感器对目标分析物具有高特异性，能有效区分非特异性抗原。此外，该 LPM 的低阈值特性大幅降低了对生物样品的光损伤，生物相容性油滴材料也使其适用于活体体系的传感检测。
该研究首次将光子分子概念拓展至液体体系，融合了液滴的柔性可重构与光子分子的单模选模优势，解决了传统液滴微激光器的核心技术瓶颈。其构建的 LPM 微激光平台不仅为超灵敏生物传感提供了新方法，还可与微流控技术结合实现高通量生物分析，同时为非厄米光子学、腔光力学、液滴 - 超表面杂化系统等基础物理研究开辟了新方向，在临床诊断、生物标志物检测、单细胞分析等领域具有重要的应用前景。
