敏感且稳健的生物分子相互作用分析原则：衍射极限聚焦莫洛图谱的检测限与分辨率

摘要： 无标记生物传感器能够实时监测生物分子相互作用，这对分析生物分子的结合特性至关重要。虽然表面等离子体共振（SPR）等折射光学生物传感器灵敏度高且技术成熟，但它们易受传感体积内折射率变化的干扰——这种变化可能源于样品缓冲液成分的微小差异、温度漂移，尤其是复杂流体（如血液）中与传感器表面的非特异性结合。这些局限源于折射式传感器测量的是整个传感体积的折射率。与之相反，衍射式生物传感器（例如焦散全息术）仅检测分析物分子相干集合产生的衍射光。因此，任何与该分子集合非相干的折射率分布都不会增强相干信号。这使得衍射式生物传感器具有天然鲁棒性，无需参比通道或温度稳定即可实现灵敏测量。该相干集合由分析物分子选择性结合至合成结合图案（全息图）而形成。焦散全息术已在前期论文中通过理论推导[C. Fattinger, 物理评论X 4卷, 031024 (2014)]和实验验证[V. Gatterdam等, 自然·纳米技术 12卷, 1089 (2017)]提出，但要充分释放其潜力仍需深入理解底层物理机制并实现衍射极限读出。本文提出了改进的理论模型，能根据衍射强度精确量化结合在全息图上的生物物质含量。此外还展示了衍射极限全息焦点的测量（即艾里斑）。这些改进使我们能在无需温度稳定或漂移校正的情况下，实现与最佳SPR传感器相当的实时结合实验分辨率，并以终点法无标记检测低分子量化合物。所开展的实验证明了衍射式传感器原理的鲁棒性与灵敏度。