《Microchemical Journal》：Gold nanocube-sensitized localized surface plasmon resonance fiber-optic biosensor for label-free cholesterol detection
编辑推荐：
•开发了一种无标记LSPR光纤生物传感器用于胆固醇检测。•金纳米立方体作为等离子体换能器，具有强电磁增强效应。•该传感器实现了超低检测限0.253 nM以及宽广的线性范围。•在AuNCs上高密度固定胆固醇氧化酶（ChOx），有效拓宽了检测上限。•该生物传感器在血清样品中表现出
- •
开发了一种无标记LSPR光纤生物传感器用于胆固醇检测。
- •
金纳米立方体作为等离子体换能器，具有强电磁增强效应。
- •
该传感器实现了超低检测限0.253 nM以及宽广的线性范围。
- •
在AuNCs上高密度固定胆固醇氧化酶（ChOx），有效拓宽了检测上限。
- •
该生物传感器在血清样品中表现出优异性能，适用于POCT应用。
引言
胆固醇是细胞膜和脂蛋白中不可或缺的脂质成分[1]，对人类健康具有重要影响。在健康个体中，血液中胆固醇浓度通常处于2.18–5.17 mM之间[2]、[3]；无论是偏高还是偏低都会引发不良健康后果[4]。胆固醇水平异常升高易导致动脉粥样硬化性高血压、冠心病和心肌梗死[5]、[6]、[7]，而水平异常降低则与贫血、低脂蛋白血症、败血症、阿尔茨海默病以及免疫功能受损等一系列疾病相关[8]、[9]、[10]。目前临床常规检测主要依赖色谱法[11]、[12]、化学法[13]、[14]、酶学方法[15]、[16]以及表面增强拉曼散射（SERS）[17]。尽管这些方法具有较高的分析精度，但通常存在检测周期长、样品前处理繁琐以及仪器复杂等问题，难以满足日益增长的POCT需求[18]、[19]。生物传感器将生物识别元件与物理化学换能器相结合，为胆固醇的快速、现场检测提供了有前景的途径[20]。其中，光纤生物传感器尤为引人瞩目，因为光纤可同时实现光传输和识别事件换能的双重功能，从而构建出紧凑、低成本且抗电磁干扰的传感平台。
表面等离子体共振（SPR）是指入射光作用下金属—介质界面处自由电子的集体振荡；当入射光满足能量和动量匹配条件时，会在金属表面形成传播型表面等离子体极化激元，并在反射光谱中产生特征共振峰[21]。该共振峰的位置对金属表面附近介质的折射指数极其敏感，目标分子结合引起的局部折射率变化可被转化为可测量的共振波长或角度偏移，从而构成无标记SPR传感的物理基础[22]、[23]、[24]。光纤SPR胆固醇传感器通常采用在特殊结构光纤上沉积的连续金属薄膜来激发传播型表面等离子体极化激元，并依赖β-环糊精和ChOx等识别材料实现对胆固醇的特异性捕获[25]、[26]。代表性光纤SPR胆固醇传感器展示了高灵敏度和低检测限；然而，其工作原理决定了它们必须依赖连续、均匀且厚度精确可控的金属薄膜来满足波矢匹配条件，薄膜厚度、粗糙度和均匀性的微小偏差都会直接影响共振波长和灵敏度，导致耦合条件苛刻[27]。因此，连续金属薄膜及其苛刻的耦合条件仍是阻碍光纤SPR胆固醇传感器结构简化和实际应用的两大主要瓶颈。
相比之下，局域表面等离子体共振（LSPR）源于离散金属纳米颗粒在光激发下自由电子的集体振荡[28]、[29]。当入射光频率与远小于光波长的纳米颗粒表面自由电子的集体振荡频率相匹配时，会产生强烈的局域场增强并出现特征共振吸收峰[30]。由于LSPR直接产生于纳米颗粒表面，其共振特性与局域场增强程度本质上由颗粒的形貌、尺寸和表面化学性质决定；这些因素不仅影响传感灵敏度，也决定颗粒表面识别元件的装载密度。与传播型SPR类似，LSPR共振峰的位置对颗粒周围介质折射率的变化同样高度敏感[31]、[32]，从而可实现无标记、实时检测[33]、[34]。更为重要的是，LSPR不需要常规SPR所必需的连续金属薄膜，可直接集成于光纤表面，为光纤LSPR胆固醇传感提供了更为简化的实现路径。已有大量研究致力于光纤LSPR胆固醇传感。研究人员先后采用锥形、空心、偏心及双锥形光纤结构，将金纳米颗粒（AuNPs）固定于光纤表面以激发LSPR，并用ChOx对传感器进行功能化，实现对胆固醇的特异性识别[35]、[36]、[37]、[38]。其中，单独使用AuNPs和ChOx时，可及表面积有限且ChOx负载不足，使线性范围局限于nM至μM级别；通过引入ZnO纳米颗粒等高比表面积材料以提高ChOx负载，可将线性范围扩展至mM级别，但AuNPs相对较弱的局域场增强使其对低浓度目标引起的微小折射率变化不够敏感，检测限往往仍停留在亚mM甚至mM级别。因此，尽管这些研究在灵敏度和检测限上持续进步，却难以在同一传感器内同时实现宽线性范围和低检测限，而这种矛盾在很大程度上源于球形AuNPs在局域场增强和可及表面积方面的固有局限；同时，对光纤结构的特殊加工通常面临工艺复杂和机械强度低的问题。这两方面共同导致现有光纤LSPR胆固醇传感器无法同时满足临床对低浓度早期风险预警和覆盖病理高胆固醇全范围的需求。
为突破上述瓶颈，本文提出一种将结构简化与形貌调控相结合的协同策略。具体而言，我们采用MMF–NCF–MMF透射式架构，在简化制备的同时增强光—物质相互作用[39]、[40]，并引入具有高曲率锐利边缘、棱角及晶面的AuNCs作为等离子体换能器。AuNCs表面暴露的晶面与棱边位点可提高ChOx负载量，从而拓宽线性范围上限[41]；棱边与棱角处的高曲率可产生增强的局域电磁场，有助于提升低浓度区间的响应灵敏度。该设计旨在覆盖临床相关浓度区间，同时将检测能力推至痕量（纳摩尔）水平，从而为高灵敏度、宽动态范围的血清胆固醇POCT提供一种可行的光学检测方案。
章节摘要
材料与试剂
无芯光纤（型号CL 0/125–0/250）购自深圳鑫瑞光学科技有限公司。三（羟甲基）氨基甲烷和胆固醇购自上海蓝旗科技发展有限公司。多巴胺盐酸盐、胆固醇氧化酶（ChOx）、11-巯基十一烷酸（MUA）、2-(N-吗啡啉)乙磺酸（MES）缓冲液、1-乙基-(3-二甲氨基丙基)碳二亚胺盐酸盐（EDC）、N-羟基琥珀酰亚胺（NHS）、聚(4-苯乙烯磺酸钠)（PSS）和尿素
传感器表征
为表征AuNCs的结构特征及其在光纤表面的组装状态，采用扫描电子显微镜（SEM）对AuNCs和光纤样品的形貌与尺寸进行了观察。如图2a所示，AuNCs在光纤表面上分布较为均匀，所合成的纳米颗粒呈现规整的立方体形貌并带有锐利边缘和棱角，表明修饰效果良好。图2b显示
结论
我们设计并实验验证了一种基于MMF–NCF–MMF平台的透射式光纤LSPR胆固醇生物传感器。AuNCs作为等离子体换能器激发强LSPR效应，而固定的胆固醇氧化酶赋予其特异性分子识别能力。AuNCs暴露的晶面与棱边位点可实现高密度酶负载，其锐利棱边处强烈的局域场束缚提供了卓越的折射率灵敏度，从而实现了检测
CRediT作者贡献声明
刘家琪：初稿撰写、调查研究、数据整理。孔欣雨：验证、调查研究、概念构思。王文涵：调查研究。杨天宇：审稿与编辑、指导。董永康：审稿与编辑、方法学、经费获取。
利益冲突声明
作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的经济利益或人际关系上的竞争关系。
致谢
国家自然科学基金（624B2053、U2541226和62505070）；黑龙江省博士后科学基金（AUGA410007924）。
刘家琪｜孔欣雨｜王文涵｜杨天宇｜董永康
