等离子体激元增强环形光纤光栅用于无标记癌胚抗原检测与同步温度监测

本文推荐一种基于等离子体激元增强环形小周期长周期光纤光栅（SP-LPG）的新型生物传感器，可实现无标记癌胚抗原（CEA）的高灵敏检测与实时温度同步监测。该传感器利用金纳米颗粒（AuNPs）增强局域电场，显著提高检测灵敏度，其独特的环形光栅结构可同时激发布拉格共振（Bragg）和包层模共振，有效解决温度串扰问题，为癌症早期诊断提供了一种可靠、多功能且适用于临床场景的检测平台。

　　

Section snippets

Sensing principle

作为传感转换元件，环形小周期长周期光纤光栅（SP-LPG）在单模光纤纤芯中引入周期性折射率调制，可促使光从基模（LP₀₁）耦合至多种包层模（LP_0m，其中m代表包层模阶数）。这种耦合在传输光谱中产生一系列衰减带（共振谷），每个谷对应纤芯模与某一包层模之间的特定相位匹配作用。第m阶包层模的共振波长（λ_res）可由相位匹配条件决定：λ_res = (n_eff^co - n_eff^cl,m)?Λ，其中n_eff^co和n_eff^cl,m分别为纤芯模和第m阶包层模的有效折射率，Λ为光栅周期。包层模共振对外界折射率变化极为敏感，因为包层模的有效折射率n_eff^{cl,m受包层表面介质折射率影响。此外，由于纤芯与包层材料热光系数存在差异，共振波长也会随温度变化产生漂移，这通常导致温度串扰问题，限制了其在生物传感中的应用。为解决这一问题，我们设计的环形SP-LPG不仅能激发包层模共振，还能同时激发前向与后向传输的纤芯模之间的耦合，产生布拉格反射（Bragg resonance）。布拉格共振波长由λ_B = 2n_effco?Λ决定，由于纤芯模有效折射率n_effco几乎不受外界折射率影响，λ_B对温度变化敏感，却对外部生物分子结合“视而不见”。因此，通过同时监测 Bragg 峰与包层模共振谷，即可分别独立获取温度与生物分子结合信息，实现自补偿式同步检测。}

Fabrication and spectral measurement of annular SP-LPG sensor

如图1(a)所示，我们采用飞秒激光直写技术在标准单模光纤中制备出环形SP-LPG。飞秒激光脉冲的工作波长为520 nm，重复频率200 kHz，脉冲能量50 nJ，通过数值孔径（NA）为1.4的63倍油浸物镜聚焦至纤芯。光纤样品固定于高精度三维平移台上，加工程序设定关键参数如周期数、扫描速度、扫描圈数等。每个光栅周期内激光束沿环形路径扫描，在纤芯内形成一系列环形折射率调制结构，从而构成环形光栅。这种环形结构更贴合光纤横截面形态，可有效扩大折射率调制区域。传输光谱通过宽带光源与光谱分析仪（OSA）采集。图1(b)展示了所制备环形SP-LPG的典型传输光谱，可清晰观察到位于1310 nm附近的布拉格反射峰（Bragg peak）和一系列包层模共振谷（cladding mode resonances）。得益于环形设计，Bragg峰反射率显著提升至10.37%，使得在无需光纤环行器的情况下，仅通过传输谱即可同时监测两类共振信号，极大简化了传感系统。

Characterization of sensor functionalization processes

为更清晰了解光纤表面在功能化过程中的形貌演变，我们采用原子力显微镜（AFM）与扫描电子显微镜（SEM）进行表征，如图3所示。最初，在光纤氨基化（NH₂-functionalization）修饰中，APTES单分子层的沉积对表面形态影响极微，AFM在1 μm × 1 μm扫描区域内观察到其均方根粗糙度（Rq）仅略有增加。随后，通过静电吸附方式固定金纳米颗粒（AuNPs）后，SEM图像清晰显示出AuNPs已成功且均匀地分布于光纤表面。AFM图像进一步在三维尺度揭示了AuNPs的附着情况，其Rq值显著增大。最后，在抗体（Anti-CEA Ab）固定后，可观察到表面形貌发生进一步改变，表明生物识别元件已成功组装。这些表征结果共同证实了传感器表面功能化流程的有效性，为后续高灵敏度生物检测奠定了基础。

Conclusion

总之，我们开发了一种创新的、经AuNPs功能化的环形SP-LPG传感器。其独特的环形光栅结构可同时激发Bragg共振与包层模共振，具备同步温度与生物分子检测的双重功能。该环形SP-LPG具有10.37%的反射率，使得仅通过采集传输光谱即可同步监测两个参数，其温度灵敏度分别为10.14 pm/°C（Bragg峰）和10.73 pm/°C（包层模共振谷）。经AuNPs修饰后，传感器灵敏度获得显著增强，对CEA的检测限（LOD）低至1 ng/mL（在1-100 ng/mL浓度范围内），并在小鼠血清中表现出可比性能，同时对潜在干扰物展现出优异特异性。本研究为解决多功能传感需求与临床早期癌症标志物检测需求，提供了一个可靠且高灵敏的平台。