中空微结构光纤对生物液体的多光谱传感技术

来源：两江科技评论

01导读

近日，来自俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院的Dmitry A. Gorin教授，在国际顶尖学术期刊《Light: Science & Applications》发表了题为“Multispectral sensing of biological liquids with hollow-core microstructured optical fibers”的高水平论文。Dmitry A. Gorin教授研究团队通过光纤内多光谱光学传感（IMOS）方法来实现高灵敏度检测的同时，测量生物样品的折射率，并通过实验测量了牛血清蛋白的浓度和折射率色散，显示出满足临床需求的准确性。该研究目前已得到了得到了俄罗斯基础研究基金会和以色列科学技术部的支持与资助。

02研究背景

随着生物传感技术的不断发展和医学需求的不断提高，现代社会对适用于实时诊断的生物传感技术的需求也在日益增加。在各种可用的传感设备中，传统的生物传感器表现出对环境折射率（RI）变化的高灵敏度，其核心技术是通过使用谐振腔（例如表面等离子体激元共振、回音壁模式等）以及在电介质和等离子体纳米结构中传播本征模来提高RI灵敏度。

传统光学生物传感器有折光仪和椭偏仪等，其中，折光仪不仅设备价格昂贵，还具有测量可用的波长数量受到限制（通常小于10个）、无法并行执行多个波长的实时测量的缺点；而椭偏仪虽然能够测量超宽光谱带中的折射率，但是每次测量都需要进行校准，无法轻松集成到任何光流体或其他传感系统中以确保实时测量，并且同样成本高。

除此之外，中空微结构光纤（HC-MOF）也是一种常用的生物传感技术，它可以通过监视透射率的变化来感测液体分析物，并且具有较大体积的光-分析物相互作用优势，与基于谐振腔的方法相比，可提高RI灵敏度。

几乎所有的光学传感器通常会在共振/移动之后利用反射/透射/散射光谱中的单个共振特征，此类生物传感器具有很高的灵敏度和品质因数。但是，这种通用策略忽略了在宽带光谱域中同时对生物样品的折射率色散的测量。而该参数是生物样品中的简单且高效的检测指标，可以通过其来进行实时监控其成分变化。为了在具有高灵敏度和品质因数的同时，实现对生物样品折射率和色散的检测，俄罗斯斯科尔科沃科学技术研究院的Dmitry A. Gorin教授通过检测生物样品通过液体细胞流过中空微结构光纤时，中空微结构光纤传输的变化，从而提出了一种新型生物传感技术——中空微结构光纤多光谱光学传感技术（IMOS），为现代医学传感技术提供了新的可能。

图1 液体样品的动态多光谱传感概念图。（a） HC-MOF的传输特性设置方案。纤维刻面固定在液槽（LC）中，液槽可通过薄玻璃窗以光学方式进入，从而可同时泵送流体通过纤维毛细管并测量透射光谱。红色光线表示从宽带卤素灯通过HC-MOF到光谱仪和CCD（电荷耦合器件）相机的光路，以记录输出模式配置文件。EX OBJ–激发物镜，COL OBJ–收集物镜，FOC OBJ–聚焦物镜。插入图是不同浓度的BSA溶于PBS的输入和输出光谱。（b） 使用LbL组件将HC-MOF功能化的设置。蠕动泵驱动所施加的溶液（聚电解质水溶液和纯净水）流过整个纤维，导致在芯毛细管内表面形成聚合物涂层。用带负电荷的聚电解质重复该过程以产生所需数目的双层。插入物是纤维端面和放大的毛细管壁的扫描电子显微镜（SEM）图像，聚合物壁由18个PE双层形成。

03创新研究

Dmitry A. Gorin教授研究团队提出了用于静态和实时模式下检测液体生物样品的中空微结构光纤多光谱光学传感技术（IMOS），该技术的主要原理为：当液体生物分析物通过专门设计的液体腔室流过中空微结构光纤时，检测中空微结构光纤传输光谱中最大值和最小值的光谱位移。这些共振特征与核心毛细管壁中的共振相关，并且其光谱位置与生物分析物的折射率明确相关。与仅在单个波长下工作的常规光学生物传感器相比，通过IMOS技术来测量42个波长下的折射率，允许同时在可见光和近红外光谱域中的多个波长下同时测量折射率，每个折射率单位（RIU）的灵敏度（RIS）高达3000nm，同时，在可见光和近红外光谱范围内的品质因数（FOM）高达99RIU-1。

图2 由无盐缓冲液吸附的PE官能化的HC-MOF的光学表征。（a~b）在可见光（400nm–900nm）和近红外（900nm–1500nm）范围内的透射光谱。给出了具有多个PE双层的6个样品的结果。注意（a）和（b）沿x轴的不同比例。传动的最大值（c）和最小值（d）以及线性拟合的偏移。

为了验证该技术的实际性能，研究人员通过实验测量了静态和动态模式下通过溶解在水和磷酸盐缓冲盐水（PBS）溶液中的牛血清白蛋白（BSA）的浓度，证明了IMOS可以测量静态和动态状态下溶解于水和PBS缓冲液中的BSA的光学色散和浓度，并显示出满足临床需求的准确性。此外，Dmitry A. Gorin课题组首次提取了纯的牛血清白蛋白在400–850nm宽波长范围内的折射率色散。

图3 IMOS在静态模式下溶解于去离子水中的牛血清白蛋白（BSA）的IMOS性能。（a） 对于未经修饰的HC-MOF，随着BSA浓度的增加，传输光谱会发生变化。（b）BSA在不同浓度的水缓冲液中的光学分散。彩色点表示从最小值和光纤传输光谱的峰质心的偏移中提取的RI值，实线表示其Sellmeier拟合。（c）关于不同波长下BSA水溶液中BSA和RI浓度的校准。BSA的RI是从实验点的Sellmeier拟合中提取的。（d）从（a）和（b）中提取的，作为RI的函数的最长波长最小值的位置。误差线小于数据点。

图4 通过Maxwell Garnett近似法提取的BSA的折射率。点对应于BSA水的RI的测量值，实线标记Sellmeier拟合。对3种浓度的BSA进行提取，以显示结果的可重复性。

图5 溶解在PBS缓冲液中的BSA的实时IMOS。彩色线表示当蠕动泵在5种具有不同BSA浓度的溶液之间切换时，传输最小值的瞬时位置。黑线表示使用Matlab平滑的数据。蠕动泵产生的流量固定在1mL·min-1的水平。

与许多其他光学生物传感器相比，IMOS的重要优势在于其简单性和成本效益高，并且设置非常紧凑且易于复制，这是因为它不需要任何外部空腔或干涉仪，并且功能化的HC-MOF的生产既简单又便宜。此外，IMOS可以在宽光谱域内实时进行折射率测量，这对于其他替代方法而言仍然是一个具有挑战性的问题。此外，IMOS能够准确检索各种蛋白质及其复合物的折射率色散，这对于可靠地模拟生物过程非常重要。