基于波前调制的法布里-珀罗光纤生物传感器：通过耦合效率分析实现无标记溶菌酶检测

《Sensing and Bio-Sensing Research》：Wavefront-modulated Fabry–Perot fiber biosensor for label-free lysozyme detection via coupling efficiency analysis

本研究针对传统光纤生物传感器在检测低分子量分析物时对体折射率变化依赖性强、空间选择性低的问题，开发了一种基于波前调制的法布里-珀罗光纤生物传感器。通过将单模光纤端面的法布里-珀罗微腔共价功能化抗溶菌酶抗体，研究人员实现了对溶菌酶的特异性识别。抗原结合引起的反射波前畸变降低了与导模的重叠，从而改变了耦合效率(η)，通过快速傅里叶变换分析干涉谱，在缓冲液和乳清中分别达到了0.789 ppb和0.782 ppb的检测限。该传感器无需标记、可实时检测，为临床诊断和环境监测提供了新平台。

　　

在当今的工业、环境和生物医学领域，蛋白质检测变得不可或缺。溶菌酶作为一种重要的溶菌酶，在医疗保健和食品防腐中作为天然抗菌剂，但其过度暴露可能引发免疫过敏反应，特别是在乳制品等行业需要严格监管。然而，传统的检测方法如色谱-质谱联用虽然准确，但需要昂贵的仪器和熟练的操作人员，限制了其快速现场应用的可能性。免疫酶分析法和无标记技术如局部表面等离子体共振提高了特异性，但存在耗时长、样品制备复杂和消耗品成本高等问题。

光学纤维技术以其小型化、电磁免疫性和远程 interrogation 能力等优势，已成为生物传感领域的变革性工具。特别是其与抗体等生物识别元件的内在兼容性，使得开发无标记、实时传感器成为可能。然而，传统的光纤传感技术如光纤布拉格光栅、长周期光栅和干涉配置在生物传感应用中仍面临关键限制：它们对低分子量分析物的灵敏度通常受限于对体折射率变化的依赖，这可能无法充分反映表面水平的生化相互作用；此外，这些技术通常具有宽模式场和低空间选择性，降低了生物识别界面的特异性。

在这项发表于《Sensing and Bio-Sensing Research》的研究中，研究人员提出了一种新颖的干涉式传感器架构，其中波前畸变而非体折射率变化作为主要的 transduction 机制，能够检测由表面吸附事件引起的微妙光学扰动，即使在没有体折射率变化和极低分析物浓度的情况下也能实现。

为了开展这项研究，研究人员主要采用了以下几种关键技术方法：首先，通过在单模光纤端面熔接石英毛细管构建法布里-珀罗腔，并通过精确切割和抛光工艺控制腔体长度和壁厚；其次，利用化学功能化技术在传感器表面依次进行羟基化、硅烷化、交联剂固定和抗体 immobilization，形成特异性生物识别界面；最后，通过搭建包含宽带光源、光学环行器和光谱仪的实验系统，结合快速傅里叶变换分析技术，实现对反射光谱的实时监测和信号处理。

1. 引言

研究背景强调了蛋白质检测在多个领域的重要性，特别是溶菌酶的双重角色既是有益的抗菌剂，又是潜在的过敏原。传统检测方法的局限性促使人们开发新型生物传感平台，而光纤技术的优势与现存挑战形成了鲜明对比。本研究引入的波前调制机制代表了对传统折射率依赖型传感的根本性转变。

2. 制备与原理

传感器通过在单模光纤端面集成法布里-珀罗微腔制成，腔体长度约为70-100μm，外部壁厚通过抛光减薄至10μm以增强 evanescent field 相互作用。传感器工作原理基于抗原-抗体结合引起的反射波前畸变，这会降低与光纤导模的耦合效率(η)。通过建立高斯光束传播模型和耦合效率计算公式，研究人员证实了波前畸变对传感信号的影响机制。模拟结果显示，即使微小的表面吸附引起的波前畸变也足以产生可检测的信号变化。

3. 实验装置

实验采用宽带超辐射发光二极管作为光源，中心波长为1550nm，通过光纤环行器将光引导至传感头并收集反射信号。反射光谱由USB控制的光谱仪获取，积分时间为100μs，每个光谱平均5次测量以提高信噪比。这种紧凑、无需对准的配置实现了基于耦合效率变化的实时生物传感。

4. 化学修饰

表面功能化采用五步法：首先用piranha溶液清洁和羟基化表面；然后通过APTES硅烷化引入胺基；接着用genipin作为交联剂；第四步固定抗溶菌酶抗体；最后用牛血清白蛋白封闭非特异性结合位点。这种策略确保了抗体的稳定固定和结合活性保持。

4.1. 干涉传感：缓冲液和乳清中溶菌酶的定量

在HEPES缓冲液(pH 7.4)中制备不同浓度的溶菌酶溶液(0-1000ppb)。将功能化的传感器浸入样品中，5分钟后记录干涉信号。结果表明，传感器能够在不同基质中实现溶菌酶的灵敏检测。

4.2. 附加验证：拉曼光谱和折射率测量

通过折射率测量确认所有溶菌酶样品的折射率值保持稳定，排除了体折射率变化对信号的贡献。拉曼光谱分析进一步验证了传感器表面的成功功能化和溶菌酶的特异性结合。

5. 结果与讨论

折射率测量结果表明，所有溶菌酶浓度的折射率值保持一致，证实了观察到的光谱变化并非由体折射率变化引起，而是源于表面相互作用引起的波前畸变。实验记录的反射光束剖面显示，随着溶菌酶浓度增加，光束宽度从16.67μm(洁净传感器)增加到27.5μm(1000ppb)，直接证明了波前畸变机制。

5.1. 溶菌酶传感

通过对照实验证实了传感器的特异性响应。功能化传感器暴露于溶菌酶后，反射光谱强度明显降低，FFT振幅随浓度增加而减小。在缓冲液和乳清中的检测限分别为0.789ppb和0.782ppb，校准曲线呈现高线性度(R²>0.998)，三个独立制备的传感器结果显示良好重复性。

5.2. 化学验证：拉曼研究

拉曼光谱分析显示了溶菌酶的特征峰，包括酰胺I带(1657cm^-1)、酰胺III带(1258和1295cm^-1)，以及色氨酸(875和1008cm^-1)和酪氨酸(820和1126cm^-1)的特征振动，为成功抗体固定和溶菌酶结合提供了分子证据。

6. 结论

本研究成功开发了一种基于波前调制的法布里-珀罗光纤生物传感器，通过抗原-抗体结合诱导的耦合系数η调制实现溶菌酶检测。与传统的折射计量方法不同，该机制依赖于局部波前畸变，通过FFT光谱处理进行定量分析。该平台在蛋白质丰富介质和缓冲溶液中分别达到0.782ppb和0.789ppb的检测限，优于最先进的商业方法。其模块化架构允许通过简单更换特异性抗体快速重新配置不同靶标，而无需改变法布里-珀罗传感器核心。高的制造重现性通过受控表面功能化和共价抗体固定实现，确保了批次间一致性。紧凑、电磁免疫的设计允许集成到便携式、现场可部署平台中，将分析时间从数小时减少到数分钟，实现实时连续监测。

这项研究的重要意义在于它提出了一种全新的生物传感机制，将抗体特异性与光子信号转导相结合，为精密诊断、环境监测和健康监测提供了可扩展的新一代平台。通过解耦折射率变化与传感响应，该技术为检测低分子量分析物开辟了新途径，特别是在复杂生物基质中的应用展现出巨大潜力。未来工作的重点将放在扩大靶标范围和优化表面化学上，进一步推动这一技术在生物医学领域的广泛应用。