量子点功能化嵌套锥形光纤光子生物传感器，基于适配体识别平台实现他克莫司的超灵敏检测

《Optical Fiber Technology》：Quantum dot-functionalized nested tapered fiber photonic biosensor for ultrasensitive tacrolimus detection using an aptamer recognition platform

　　

•MMF–MCF–MMF嵌套双锥光纤探针实现了高精度的生化测量。
•掺铒光纤环形腔平台实现了他克莫司的微量定量检测。
•嵌套双锥几何结构增强了倏逝场耦合和传感性能。
•实验证实了临床他克莫司检测中超低检测限和强抗干扰能力。

1. 引言

他克莫司（TAC）是一种主要从筑波链霉菌中提取的大环内酯类免疫抑制剂。它通过抑制钙调磷酸酶来抑制T淋巴细胞增殖和细胞因子释放，从而调控移植后的免疫反应。临床试验已证实，基于TAC的免疫抑制方案在降低急性排斥反应风险方面优于贝拉西普方案；然而，它增加了肾损伤的发生率[1]。TAC浓度对移植预后至关重要：剂量不足会导致移植物排斥，而过量则引发肾毒性。作为一线抗排斥药物，TAC的治疗窗狭窄，且个体药代动力学差异显著。其血药浓度易受CYP3A4/3A5基因多态性、肝肾功能、药物相互作用和饮食的影响，使得固定剂量给药无法可靠地维持稳定的免疫抑制[2]。临床上，TAC水平低于5 ng/mL会导致急性排斥反应，而浓度超过20 ng/mL则显著增加毒性风险。实时准确地监测TAC对于临床用药安全至关重要[3]，这迫切需要高灵敏度和快速的TAC检测技术。

常见的TAC检测方法受限于操作复杂、成本高昂、严重的基质干扰以及灵敏度不足[4]、[5]、[6]。低成本、微型化、抗干扰和无标记的光纤生物传感器非常适合免疫抑制剂检测[7]、[8]、[9]。窄线宽、高相干性的环形腔激光器可以提高分辨率和稳定性，避免卤素光源和ASE宽带光源的低输出功率和高噪声问题[10]、[11]。光纤激光器传感器继承了光纤传感和激光技术的优势，具有窄线宽、高信噪比（SNR）、优异分辨率、电磁免疫性和全光纤集成等特点。Wolf等[12]研究了飞秒激光直写技术制备多芯光纤布拉格光栅及其传感与激光应用；由于具有多通道复用能力，此类器件适合测量变形和振动等物理量。Zhao等[13]将飞秒激光微加工与级联干涉结构相结合，开发了一种可同时测量海水的温度和盐分的高灵敏度光纤传感器。Murray等[14]设计了一种脉冲环形布里渊激光器传感器，利用窄线宽激光特性大幅提高了应变检测灵敏度，并实现了远距离多点力学监测。尽管此类光纤激光器传感器在物理参数测量方面表现令人满意，但它们很少用于生物分子检测[15]、[16]。

本研究提出了一种掺铒光纤嵌套双锥光纤探针与环形激光器集成的方案，用于高精度TAC检测。这种嵌套MMF-MCF-MMF微结构增强了倏逝场，显著提高了传感器的灵敏度、稳定性和测量精度。该探针被集成到掺铒光纤环形激光器中，实现了从0到1000 ng/mL范围内的线性TAC检测。该系统的检测限（LoD）达到193.8 pg/mL。额外的稳定性、选择性和pH响应测试验证了其实际应用价值。

2. 工作原理

2.1 倏逝场传感理论模型

在光纤中，光通过全内反射传播[17]，而倏逝波（EWs）则垂直于光纤-介质界面传播。这些电磁场沿垂直于介质边界的方向急剧衰减，渗透深度dp作为特征参数用于评估其有效扩散距离[18]、[19]。具体计算公式如下：

(1) dp = λ / (2π√(ncosin2θ - ncl2))

公式(1)中定义的渗透深度dp描述了倏逝波在周围介质中衰减的有效距离[20]。更大的渗透深度意味着更多的电磁能量泄漏到光纤纤芯之外，加强了导模与光纤表面目标生物分子之间的光-物质相互作用。对于我们的嵌套双锥MMF-MCF-MMF探针，锥形化减小了局部光纤直径，有效地降低了等效包层厚度并增加了倏逝场渗透深度[21]。入射角θ、纤芯折射率nco和周围介质折射率ncl共同决定了dp。当光纤腰径在锥化区域减小到40 μm时，更多的倏逝能量延伸到外部溶液中，这是灵敏度提高的物理基础[22]、[23]。然而，过多的能量泄漏会导致过度的光功率损耗并降低信噪比；因此，设计了直径为80 μm的嵌套过渡段以约束光并将部分倏逝场重新耦合回光纤纤芯，从而平衡场增强和光学损耗。

(2) LoD = 3σs = √(σ2ampl-noise + σ2spect-res + σ2temp-induced)
(3) σampl-noise ≈ FWWM / (4.5 × (SNR)^0.25)
(4) σspect-res = R? / √W?
(5) σtemp-induced = 10 fm

在公式(1)中，λ表示激发波长，θ表示纤芯-包层界面的入射角，nco和ncl分别对应光纤纤芯和包层的折射率。检测限由传感器灵敏度S和系统波长分辨率R共同决定[24]，如公式(2)、(3)、(4)、(5)所述。其中，σampl-noise表示由激光线宽和信噪比（SNR）决定的与振幅相关的谱噪声；σspect-res表示来自光学光谱分析仪（OSA）有限波长分辨率的噪声贡献；σtemp-induced表示由环境温度波动引起的波长漂移。RW等于0.1 nm，代表OSA的硬件波长分辨率，而R根据公式(2)定义为总系统噪声的三倍标准差[25]。由振幅噪声引起的峰值位置不确定性通过公式(3)计算，而温度引起的噪声σtemp-induced（10 fm）对于当前装置可以忽略不计，在实际计算中被省略[26]、[27]。

2.2 MMF-MCF-MMF嵌套双锥光纤的原理与制备

我们利用FSM-100P+熔接设备基于MMF-MCF-MMF结构构建了传感探针。首先剥离多模光纤和多芯光纤的外涂层，然后使用专用切割刀对光纤端面进行精密切割。将两段60 cm的MMF依次熔接到1 cm的MCF两端。形成一个中间的MMF-MCF组件，进一步熔接完成完整的MMF-MCF-MMF光纤结构。采用可控微火焰锥化系统制备多芯光纤中间段的锥化区域。与传统的电弧放电锥化方法相比，该锥化系统实现了等离子体热稳定性提高一个数量级以上。这种特殊的加热模式产生全方位可调的等离子体场，完全包围光纤，确保加热过程中热分布的优异均匀性。通过锥化系统制备了三组具有可控尺寸梯度的嵌套双锥结构。锥化区域的直径实现了从80 μm到40 μm的平滑过渡。在此嵌套双锥配置中，细长的40 μm腰径有效地增强了光场泄漏，而较厚的80 μm过渡段约束和引导传播的光以将光信号重新耦合回光纤[28]、[29]。系统表征了探针的尺寸均匀性和制备可重复性（图1a），确认了可靠的尺寸稳定性和可重复性。

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图1.（a）三根锥形光纤探针的轴向直径轮廓，插图：嵌套双锥区域的SEM视图（1 mm比例尺），（b）制备探针的谱重复性。

2.3 嵌套双锥光纤探针的模耦合仿真

使用RSoft软件对MMF-MCF-MMF嵌套双锥光纤结构进行仿真以进行结构优化。设置了双锥区域的结构参数，并探索了光场分布和模功率演变的规律。图2的结果表明，在嵌套双锥区域内发生了明显的模干涉和不同路径之间的周期性功率振荡。Mode 0的功率在路径1和路径2之间交替转移，验证了有效的芯间模耦合。部分导模能量泄漏出光纤纤芯，可以有效地增强光与物质的相互作用以实现高性能光学传感。此外，数值研究了不同双锥几何参数对传感性能的影响。对不同锥腰直径和过渡长度的光纤探针进行建模，分析了模功率演变。结果表明，具有优化双锥参数的气纤探针产生了足够的能量泄漏。最终，制备了具有优化结构参数的MMF-MCF-MMF嵌套双锥光纤探针，并用于后续的传感实验。结构设计通过第2.2节中展示的实验表征进一步验证。

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图2. MMF-MCF-MMF嵌套双锥光纤结构的光场仿真结果，显示了光场分布和模功率演变。

3. 材料与方法

3.1 光纤探针表面生物功能化

将光纤探针浸入丙酮中20分钟以去除表面污染物，然后用去离子水（DI水）彻底冲洗。表面活化通过30分钟浸泡在 Piranha 溶液（98 wt%硫酸和30 wt%过氧化氢，体积比7:3）中完成，以去除有机残留物。然后将探针用DI水冲洗并在室温下风干30分钟。将干燥的光纤浸入1%的MPTMS乙醇溶液中12小时，以产生表面巯基用于链霉亲和素固定。浸泡后，用乙醇冲洗光纤锥体，氮气干燥，并在空气中固化30分钟以去除未结合的MPTMS残留物。在光纤表面加载ZnCdS量子点。将100 μL量子点在4.5 mL DI水中的悬浮液超声处理10分钟以均匀分散。将光纤传感区域浸入分散液中20分钟，在65°C下干燥30分钟，上述过程重复三次以获得稳定且均匀的修饰。将处理后的光纤在0.05 mg/mL的链霉亲和素溶液中浸泡3小时。该溶液使用磷酸盐缓冲液配制至pH 7.4，促进了链霉亲和素与表面巯基之间的有效结合。使用含Tween-20的磷酸盐缓冲液（PBST）冲洗以去除非特异性吸附的链霉亲和素。对于适配体功能化，将光纤在含适配体的TE缓冲液中于4°C下浸泡1小时。通过PBST冲洗去除未结合的适配体后，用1%的BSA溶液处理光纤1小时以封闭非特异性结合位点并减少检测干扰。

3.2 双测试光学平台的构建

为验证所开发探针的传感能力，使用ASE光源和光纤环形激光器分别进行了折射率（RI）响应测试，如图3a和b所示。图3b中实验装置的工作原理描述如下。嵌入环形腔中的波分复用器（WDM）引导光信号在独立的腔通道中分别传播。采用80 cm长的掺铒光纤（EDF，纤芯I-15(980/125) HC），其在1530 nm处的峰值吸收系数为32.8 dB/m，为激光腔提供稳定的光学增益。光学隔离器确保光单向传播并抑制背向反射噪声，隔离器和探针之间的偏振控制器（PC）调节腔内偏振态。图3b中的插图显示了嵌套双锥MMF-MCF-MMF探针的结构。90:10光纤耦合器将循环光分为两路：10%发送到OSA进行谱收集，其余90%保持循环以维持激光振荡。整个装置固定在定制的隔振平台上，以阻断外部干扰并确保测试稳定。

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图3.（a）使用ASE宽带光源的传感测试装置和（b）掺铒光纤环形腔生物传感系统，插图：嵌套双锥MMF-MCF-MMF光纤探针示意图。

3.3 实验测试程序

配制折射率RI为1.330–1.343 RIU的NaCl溶液并按浓度递增顺序测量，每次测试后用DI水彻底冲洗探针以去除残留物并确保数据准确。我们配置了涵盖0–1000 ng/mL范围的TAC样品用于后续检测，并同步记录相应的激光波长变化。为最小化实验偏差，将目标TAC浓度从低水平逐级升高至高值。在每次浓度调整前，用PBS缓冲液彻底冲洗光纤探针以消除交叉污染并确保结果可靠。所有光谱均在不同浓度的TAC溶液中采集。由于探针表面修饰了TAC适配体，光纤探针周围的折射率相应地随TAC浓度的变化而变化。

4. 结果与讨论

4.1 折射率谱响应特征

图4a绘制了光纤探针相对于环境折射率的ASE谱响应。随着RI从1.330增加到1.343，谱峰呈现连续红移，而谱形保持不变。进行了一项对比实验以表征环形激光器的性能。

图4b中的黑色曲线表示在去离子水中获取的ASE光谱，而红色曲线则显示了泵浦功率为222 mW的环形激光的输出光谱。该激光的输出光谱的FWHM谱宽为0.116 nm，仅为ASE光源所产生2.2 nm谱宽的1/20。窄线宽光源有助于传感系统获得高测量精度和低检测限（LoD）。将嵌套锥形探头与环形激光腔耦合用于折射率测量。如图4c所示，随着折射率从1.330增加到1.343，波长单调红移，而图4d中的线性拟合证实了良好的线性度。嵌套锥结构增强了倏逝场耦合，而环形激光通过窄线宽发射抑制了谱噪声。

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图4.（a）光纤探头在不同折射率下的ASE光谱响应；（b）黑线：ASE干扰光谱；红线：环形激光腔的光谱（泵浦功率：222 mW，OSA分辨率：0.1 nm）；（c）环形腔的激光光谱随折射率的变化；（d）相应线性拟合的对比。

**4.2 表面生物功能化与TEM表征**

完成折射率测试后，对光纤探头表面进行了功能化处理。探头经ZnCdS量子点和交联链霉亲和素修饰[30]、[31]。使用含Tween-20的磷酸盐缓冲盐水（PBST）冲洗以去除未结合的链霉亲和素残留物。适配体通过生物素-链霉亲和素结合固定化，并用BSA封闭非特异性吸附位点。沉积在光纤传感区域的ZnCdS量子点的TEM表征结果如图5所示。量子点呈近球形，平均直径约为5–8 nm，且分布均匀、无明显团聚，为后续链霉亲和素固定化和适配体功能化提供了稳定平台。

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图5. 涂覆在嵌套锥形光纤探头传感区域的ZnCdS量子点的TEM图像。

**4.3 他克莫司传感性能与检测限**

他克莫司（TAC）样品（0–1000 ng/mL）按浓度逐级递增进行测量，每次测试前使用PBS冲洗探头以避免交叉污染。如图6a所示，随着TAC浓度升高，共振峰红移，从0 ng/mL时的1532.4 nm移动至1000 ng/mL时的1533.6 nm，而光谱形状和峰值强度基本保持不变。图6b显示了波长漂移与lg(TAC浓度)之间的线性关系（R2=0.99442），斜率为0.44697 nm/lg(ng/mL)。该传感器灵敏度达0.447 nm/lg(ng/mL)，检测限为193.8 pg/mL。

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图6.（a）探头对不同TAC浓度（0–1000 ng/mL）的光谱响应；（b）共振波长对数（TAC浓度）的线性校准曲线。

表面结合的Apt122适配体特异性捕获TAC，改变局部折射率，从而诱导波长漂移，符合公式(1)[32]。相比之下，FWHM为2.2 nm、信噪比为12 dB的基于ASE的平台检测限仅为2.97 ng/mL。结合嵌套锥结构和环形激光腔后，检测限降低约15.85倍，这得益于锥形探头增强的倏逝场和窄带激光发射。

**4.4 选择性与pH环境适应性**

进行了选择性和pH测试以评估实际性能。由于固定的Apt122适配体具有特异性结合能力，在0和1000 ng/mL浓度下，分别以牛血清白蛋白（BSA）、人血清白蛋白（HSA）、环孢素A（CsA）、红霉素（ERY）和四环素（TC）作为干扰物进行测量。对TAC的响应约为1.5 nm，而对五种干扰物的响应均低于0.6 nm（图7a），证实了良好的抗干扰能力。对于血清检测，在pH 3、6、10和13下考察了pH响应。如图7b所示，最大红移出现在pH 7.4处，这与临床血清样品的pH环境相符。

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图7.（a）基于环形激光腔的TAC光纤探头的选择性测试结果；（b）pH响应性能测试。

**4.5 长期稳定性表征**

在25 ℃的去离子水中对光纤环形激光腔传感器进行了稳定性测试。每5分钟采集一次激光光谱，并记录每个测量循环的峰值波长和强度。结果如图8a和b所示。在20分钟的监测期内，激光光谱几乎保持不变，峰值波长最大变化为0.08 nm，光强最大变化为0.731 dBm。峰值波长仅在1530.0 nm附近随机波动，无任何单调漂移，图8b中的所有光谱紧密重叠，峰值位置相同、强度相似。

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图8.（a）环形腔传感单元浸没在去离子水中采集的时间依赖光谱变化；（b）激光峰值波长与输出光功率的稳定性性能。

**4.6 与已报道生物传感器的性能对比**

各种已报道生物传感器的性能参数汇总于表1中。与之前报道的其他生物传感器相比，本文提出的嵌套双锥掺铒光纤环形腔传感器在TAC检测中实现了超低检测限和宽线性范围。环形腔激光输出光谱的FWHM仅为0.116 nm。根据公式(2)中所述的LoD计算公式，更窄的谱线FWHM有助于抑制系统噪声并实现更低的LoD。计算所得LoD达到193.8 pg/mL，基线标准偏差为0.029。同时，ZnCdS量子点修饰层提供了光信号增强并提高了信噪比，进一步促进了传感灵敏度的提升。在本工作中，传感器性能从激光腔窄线宽输出和量子点辅助信号增强两个方面进行了优化，最终实现了超低LoD。上述结果表明，所提出的光纤生物传感器能够实现低浓度TAC样品的精确检测。

表1. 与其他已报道生物传感器的性能对比。

| 机理 | 线性范围 | 灵敏度 | LoD | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 荧光适配体传感器 | 未报道 | 未报道 | 2.01 ng/mL | [33] |
| SWCNT电位传感器 | 1.20–4.5 μg/mL | 未报道 | 0.72 μg/mL | [34] |
| 固相ECL生物传感器 | 1.80–1261 μg/mL | 未报道 | 0.18 μg/mL | [35] |
| G-三联体/血色素显色传感器 | 17.0–153.1 μg/mL | 未报道 | 2.38 μg/mL | [36] |
| 嵌套双锥EDF环形腔 | 0–1000 ng/mL | 0.447 nm/lg(ng/mL) | 193.8 pg/mL | 本工作 |

a 未报道。

考虑到嵌套双锥探头带来的倏逝场增强效应和掺铒光纤环形激光的窄线宽输出特性，所开发的生物传感器在器官移植受者的临床治疗药物监测中，能够对痕量水平的他克莫司进行测量，表现出足够的性能。其紧凑的全光纤结构和抗电磁干扰特性使其适合便携式现场TAC检测，可作为常规实验室检测方法的替代方案。

**5. 结论**

综上所述，本研究提出了一种嵌套MMF-MCF-MMF双锥形光纤探头与掺铒光纤环形激光集成的器件，用于高灵敏度的TAC检测。ZnCdS量子点被固定在探头表面以增强传感响应，Apt122适配体功能化赋予了传感器对小分子TAC的特异性分子识别能力。使用RSoft软件对嵌套双锥结构进行了分析，并通过实验表征进一步验证。得益于光纤微加工和表面生物改性，该生物传感器展现出0–1000 ng/mL的线性工作范围、0.447 nm/lg(ng/mL)的灵敏度和193.8 pg/mL的检测限，比传统基于ASE的传感系统低约15.85倍。选择性、稳定性和pH响应实验证实了传感器对TAC可靠的定量检测性能，且最大响应出现在pH 7.4处，与临床血清样品的pH相符。其紧凑的全光纤架构、无标记操作和抗电磁干扰特性使所提出的传感器成为便携式现场TAC检测和器官移植后临床治疗药物监测的有前景平台。

**CRediT作者贡献声明**

Qingxin Zhu：撰写——初稿、可视化、方法学、调查、形式化分析、数据整理、概念化。
Guoru Li：撰写——审阅与编辑、验证、资源、项目管理、调查、资金获取、概念化。
Xian Zhou：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、形式化分析、概念化。
Ben Niu：撰写——审阅与编辑、方法学、调查、形式化分析、概念化。
Penglei Zhou：撰写——审阅与编辑、验证、方法学、形式化分析、概念化。
Ragini Singh：撰写——审阅与编辑、可视化、验证、方法学、形式化分析、数据整理、概念化。
Bingyuan Zhang：撰写——审阅与编辑、软件、资源、方法学、形式化分析、概念化。
Santosh Kumar：撰写——审阅与编辑、验证、监督、项目管理、资金获取、形式化分析、概念化。

**资金**

山东省自然科学基金（项目编号：ZR2022QF137）；国家重点研发计划（2024YFB3613400和2024YFB3613402）；山东省泰山学者专项建设基金（318052205、318052341）；聊城大学（318052341）；Anusandhan国家研究基金会（ANRF/ARG/2025/003993/LS）。

Qingxin Zhu | Guoru Li | Xian Zhou | Ben Niu | Penglei Zhou | Ragini Singh | Bingyuan Zhang | Santosh Kumar