基于光频域反射技术的微米级分布式癌症生物标志物生物传感

《Optics & Laser Technology》：Micrometer level distributed cancer biomarker biosensing based on optical frequency domain reflectometry

分布式光纤传感技术基于OFDR和功能化渐变光纤，结合GO薄膜与PDA辅助固定的CEACAM5抗体层，实现CEA癌症生物标志物的检测与80μm空间分辨率定位，灵敏度达0.0864 rad/(ng/mL)，检测限1 ng/mL。

　　本文介绍了一种基于光学频率域反射技术（OFDR）的分布式癌症生物标志物传感方法，利用功能化锥形光纤实现了微米级别的空间分辨率。该方法通过在锥形光纤表面固定氧化石墨烯（GO）薄膜，并在其上通过聚多巴胺（PDA）辅助固定抗CEACAM5单克隆抗体（CEACAM5 mAb）层，构建出高灵敏度的生物传感元件，用于检测癌胚抗原（CEA）。为了提升对生物分子结合反应引起的生物物质浓度变化的定位能力，研究团队采用了一种差分相对相位方法，并结合半径去噪技术，对OFDR系统中由生物分子结合引起的瑞利背向散射相位变化进行解调。实验结果显示，CEA浓度与相位变化在1 ng/ml至8 ng/ml范围内表现出良好的线性关系，该分布式生物传感器的检测限（LOD）为1 ng/ml，灵敏度达到0.0864 rad/(ng/mL)。此外，该传感器能够实现80 μm级别的CEA浓度变化定位，这在传统交叉相关方法中难以实现。该分布式生物传感器为实现癌症细胞的实时检测与定位提供了一种潜在工具。

癌症的治疗目前以手术为主，但由于癌细胞常常侵袭正常组织，癌与正常组织的边界可能难以直观识别。手术往往难以彻底清除所有癌细胞，若残留癌细胞未通过化疗、放疗等辅助治疗手段清除，可能导致癌症复发，严重降低患者的生存率。因此，迫切需要通过物理检查技术实现癌症细胞的实时可视化检测。目前用于癌症细胞的体内检测技术包括荧光成像、光学相干断层扫描、拉曼光谱、内源荧光光谱、漫反射光谱、光声成像等。然而，这些方法仍然存在诸如特异性不足、准确性不够以及荧光染料毒性等问题。

光学纤维生物传感器因其体积小、耐腐蚀、抗电磁干扰、高灵敏度、高特异性、良好的生物相容性、实时监测和微创等优点，在癌症的诊断和治疗中展现出巨大潜力。其中，锥形光纤是构建光学纤维生物传感器中最常用的微/纳米光纤类型之一。基于锥形光纤的生物传感器已被广泛应用于检测癌细胞、C-反应蛋白（CRP）、DNA、凝血酶、葡萄糖等生物物质和组织，表现出较高的灵敏度。此外，表面等离子共振（SPR）、局部表面等离子共振（LSPR）、锥形光纤布拉格光栅（TFBG）、长周期光纤光栅（LPFG）、光子晶体光纤（PCF）以及谐振腔模式（WGM）等也是近年来的研究热点。Tosi团队开发了基于光学背向散射反射仪（OBR）的多路复用生物传感器，成功检测了CD44和HER2等癌症标志物。然而，大多数此类传感器属于单点或少量点的传感器，这意味着它们仅具备检测能力，但缺乏癌症细胞定位的潜力。

目前，大多数光学纤维生物传感器用于体外检测，而体内和原位的肿瘤检测则是癌症诊断的迫切需求。由于光学纤维仅有发丝般粗细，因此可以微创地引导至人体病变部位，进行原位肿瘤检测。光学纤维生物传感器非常适合用于体内和原位的肿瘤检测。一些研究人员尝试开发体内和原位的光学纤维生物传感器。例如，Ribaut等人提出了一种用于检测软物质中细胞角蛋白17蛋白的表面等离子共振生物传感器，并成功在新鲜采集的人类肺组织中进行活检。Khalid等人展示了在缺氧小鼠模型中进行体内实时pH传感测量的方法。Yetisen等人提出了一种用于连续、实时检测葡萄糖的水凝胶光纤，并在体外猪组织中测试了该系统。Loyez等人开发了一种微创导管嵌入生物传感器，用于肺癌检测，并在体外切除的肺组织中进行了检测，同时在猪肺中验证了内窥镜嵌入传感器的体内导航能力。Ran等人提出了携带缺氧敏感荧光探针并封装稀土掺杂剂的光纤插管，用于体内和原位的肿瘤检测和治疗。Li等人结合了荧光和光纤传感技术，提出了一种即插即用的体内肿瘤微环境（TME）标志物传感器，用于实时监测TME中的pH值。Jin等人提出了一种集成TME传感和光热治疗（PTT）功能的光纤探针，以应对实体瘤。Zhang等人实现了通过光纤传感器对动态抗肿瘤药物释放和体内温度的实时监测，以可视化治疗过程，从而提高治疗的安全性。

在原位肿瘤检测中，不仅需要检测肿瘤细胞，还需要定位肿瘤细胞。上述光学纤维生物传感器多为单点或少量点的传感器，而分布式光纤传感器能够获取生物物质在光纤上的空间分布信息。如果能够开发一种嵌入分布式光纤生物传感器的探针，使其微创进入人体，不仅能够实现肿瘤细胞的原位检测，还能定位其位置，将彻底改变现有的癌症诊断方法。本文提出的分布式生物传感器基于OFDR技术，通过功能化锥形光纤实现微米级别的空间分辨率。为了进一步提高有效检测区域的灵敏度，研究团队在锥形光纤表面固定了GO薄膜。然后，通过PDA辅助固定技术，在整个GO固定锥形区域上覆盖CEACAM5 mAb层，作为生物传感元件以实现对CEA蛋白的检测。为了提升对生物分子结合反应引起的生物物质浓度变化的定位能力，研究团队采用了一种差分相对相位方法，并结合半径去噪技术，对OFDR系统中由生物分子结合引起的瑞利背向散射相位变化进行解调。实验结果显示，CEA的浓度和相位变化在1 ng/ml至8 ng/ml范围内表现出良好的线性关系，该分布式生物传感器的检测限为1 ng/ml，灵敏度达到0.0864 rad/(ng/mL)。此外，该传感器能够实现80 μm级别的CEA浓度变化定位，这在传统交叉相关方法中难以实现。该分布式生物传感器为实现癌症细胞的原位检测与定位提供了一种潜在工具。

在原位肿瘤检测中，定位能力是实现精准诊断的关键。而现有的生物传感器多为单点或少量点的检测方式，无法提供全面的空间分布信息。分布式光纤传感器能够对生物物质的浓度变化进行空间分布监测，因此在癌症检测中具有独特优势。本文提出的分布式生物传感器结合了功能化锥形光纤和OFDR技术，能够实现微米级别的空间分辨率。通过在锥形光纤表面固定GO薄膜，并在其上覆盖CEACAM5 mAb层，该传感器能够检测CEA蛋白，同时具有较高的灵敏度和空间分辨率。为了进一步提高对生物分子结合反应引起的浓度变化的定位能力，研究团队采用了一种差分相对相位方法，并结合半径去噪技术，对瑞利回波信号进行解调。实验结果表明，该方法在检测CEA浓度的同时，能够实现80 μm级别的空间定位，这在传统方法中难以实现。该传感器的检测限为1 ng/ml，灵敏度达到0.0864 rad/(ng/mL)，能够在低浓度范围内准确检测CEA蛋白。

CEA是一种在肿瘤细胞中浓度较高的蛋白质，相较于血清和正常细胞，其浓度显著升高。因此，检测CEA的灵敏度和空间分辨率对于早期癌症的诊断至关重要。本文提出的分布式生物传感器通过功能化锥形光纤和OFDR技术，实现了高灵敏度和高空间分辨率的检测能力。该方法在检测CEA的同时，能够对生物分子结合反应引起的浓度变化进行空间定位，为癌症的早期诊断和治疗提供了新的思路。此外，该传感器的微创特性使其能够应用于体内检测，为临床提供一种非侵入性的检测手段。

在实验中，研究团队构建了一个基于OFDR的分布式光纤生物传感器系统，该系统由主干涉仪和辅助干涉仪组成。主干涉仪为一种改进型马赫-曾德尔干涉仪，辅助干涉仪为一种不平衡迈克尔逊干涉仪，用于补偿可调激光源（TLS）的非线性相位。TLS的扫速为1500 nm/s，扫幅为20.18 nm，初始波长为1540 nm。实验过程中，研究团队通过检测瑞利回波信号的变化，实现了对CEA浓度的实时监测。同时，通过差分相对相位方法和信号去噪技术，对回波信号的相位变化进行了精确解调，从而提高了检测的准确性。

研究团队还对GO薄膜的引入对瑞利回波信号的影响进行了分析。结果显示，GO薄膜的引入显著提高了回波信号的信噪比（SNR）。通过比较功能化前后的回波信号，研究团队发现，GO薄膜的加入使得回波信号的SNR提高了16 dB。这表明GO薄膜能够有效增强生物传感元件的信号强度和稳定性，从而提高检测的灵敏度和准确性。此外，CEACAM5 mAb层的引入进一步提升了传感器对CEA蛋白的特异性，使其能够更精确地识别目标分子。

在实验中，研究团队还对不同浓度的CEA进行了检测，结果显示，CEA浓度与相位变化在1 ng/ml至8 ng/ml范围内表现出良好的线性关系。这一结果表明，该分布式生物传感器能够在较宽的浓度范围内实现高精度检测。同时，研究团队验证了该传感器在80 μm级别的空间分辨率下，能够准确定位CEA浓度的变化。这一结果表明，该传感器在空间分辨率方面具有显著优势，能够满足对早期癌症细胞的检测需求。

综上所述，本文提出的分布式生物传感器结合了功能化锥形光纤和OFDR技术，能够实现对CEA蛋白的高灵敏度和高空间分辨率检测。通过GO薄膜和CEACAM5 mAb层的引入，该传感器不仅能够检测CEA蛋白，还能够对生物分子结合反应引起的浓度变化进行空间定位。此外，差分相对相位方法和信号去噪技术的应用进一步提高了检测的准确性。该分布式生物传感器的检测限为1 ng/ml，灵敏度达到0.0864 rad/(ng/mL)，能够在低浓度范围内准确检测CEA蛋白。同时，该传感器的微创特性使其能够应用于体内检测，为癌症的早期诊断和治疗提供了一种新的方法。

该分布式生物传感器的研究成果表明，利用光纤技术进行癌症细胞的原位检测和定位是可行的。通过功能化锥形光纤和OFDR技术的结合，研究团队实现了对生物物质浓度变化的高精度空间定位，这在传统方法中难以实现。该方法不仅能够检测CEA蛋白，还能够对其他生物分子进行检测，为癌症的早期诊断和治疗提供了新的工具。此外，该传感器的高灵敏度和高空间分辨率使其能够满足对微米级别肿瘤细胞的检测需求，为癌症的精准诊断提供了技术支持。

该分布式生物传感器的研究具有重要的应用价值。首先，它能够实现对CEA蛋白的实时检测，为癌症的早期诊断提供依据。其次，其高空间分辨率能够帮助医生准确定位肿瘤细胞的位置，从而提高治疗的准确性。此外，该传感器的微创特性使其能够应用于体内检测，为癌症的无创或微创诊断提供了一种新的方法。最后，该方法的高灵敏度和高特异性能够提高检测的准确性，为癌症的精准治疗提供支持。

本文的研究成果表明，分布式光纤生物传感器在癌症检测中具有广阔的应用前景。通过功能化锥形光纤和OFDR技术的结合，研究团队成功实现了对CEA蛋白的高灵敏度和高空间分辨率检测。同时，差分相对相位方法和信号去噪技术的应用进一步提高了检测的准确性。该方法的引入不仅解决了传统方法在检测精度和空间分辨率方面的不足问题，还为癌症的早期诊断和治疗提供了新的思路。此外，该传感器的微创特性使其能够应用于体内检测，为癌症的无创或微创诊断提供了一种新的方法。

在未来的癌症检测研究中，分布式光纤生物传感器有望成为一种重要的工具。通过进一步优化功能化材料和检测算法，该传感器的性能可以得到进一步提升。此外，结合其他生物分子检测技术，该传感器可以扩展其检测范围，从而满足更多癌症标志物的检测需求。该方法的研究成果不仅为癌症的早期诊断提供了技术支持，还为癌症的精准治疗提供了新的思路。通过在体内和原位检测中应用该传感器，可以实现对肿瘤细胞的实时监测和定位，从而提高癌症治疗的效果。

该分布式生物传感器的研究还具有重要的工程应用价值。通过优化传感器的设计和制造工艺，并结合先进的信号处理技术，该传感器可以实现更高效的检测和定位能力。此外，该方法可以应用于其他生物分子的检测，为癌症的综合诊断提供支持。该传感器的微创特性使其能够应用于临床，为癌症的无创或微创诊断提供了一种新的手段。同时，其高灵敏度和高空间分辨率能够提高检测精度，为癌症的精准治疗提供依据。

总之，本文提出的分布式生物传感器为癌症的早期诊断和治疗提供了一种新的方法。通过功能化锥形光纤和OFDR技术的结合，该传感器实现了对CEA蛋白的高灵敏度和高空间分辨率检测。同时，差分相对相位方法和信号去噪技术的应用进一步提高了检测的准确性。该方法的引入不仅解决了传统方法在检测精度和空间分辨率方面的不足，还为癌症的精准诊断和治疗提供了技术支持。未来，随着技术的不断进步，该方法有望在更广泛的临床应用中发挥重要作用。