《Biosensors and Bioelectronics》：sAll-plastic-fiber D-shaped functionalized biosensor through ROI-camera analysis: towards IoT-based DIY saliva analysis
编辑推荐：
摘要
现有光学生物传感器系统仍受限于笨重的仪器设备，便携性受限，这限制了它们在临床和即时护理中的应用。本研究提出了一种基于智能手机的塑料光纤（POF）生物传感平台，用于生物标志物的检测。该平台采用手工抛光的、带有抗体功能的D形POF，以增强与周围介质的衰减场相互作用。这种方
摘要
现有光学生物传感器系统仍受限于笨重的仪器设备，便携性受限，这限制了它们在临床和即时护理中的应用。本研究提出了一种基于智能手机的塑料光纤（POF）生物传感平台，用于生物标志物的检测。该平台采用手工抛光的、带有抗体功能的D形POF，以增强与周围介质的衰减场相互作用。这种方法结合了非等离子体光纤架构和智能手机相机的强度检测，用于目标蛋白的识别，无需先前报道的智能手机集成等离子体光纤生物传感器中使用的金属涂层、外部镜头或光学滤光片。所提出的全光纤系统利用智能手机的手电筒和相机光线进行信号检测。为了便于测量，开发了一个基于Camera2 API的定制Android应用程序，该应用程序允许控制图像采集、选择感兴趣区域（ROI）并可视化响应曲线。这些传感器被的功能化处理，可以检测白细胞介素-8（IL-8），并用于人工和健康人唾液中的IL-8蛋白检测。在RI传感中，D形传感器的灵敏度为361%/RIU，R2 = 0.9835。在生物标志物检测中，所提出的生物传感器显示出浓度依赖性响应，四点校准的R2 = 0.9996，估计的检出限（LOD）为162 aM。使用IL-8添加到健康人唾液中的初步测量也显示估计的LOD为219 aM。重复性研究表明，多个传感器对IL-8蛋白的信号变化相似。
引言
大约每两个癌症病例中就有一个在晚期被诊断出来（Crosby等人，2022年），此时传统治疗通常需要更高的剂量，这会加剧副作用并进一步削弱患者的免疫系统。在症状出现之前检测到与肿瘤相关的变化可以显著改善治疗效果。口腔鳞状细胞癌（OSCC）约占口腔恶性肿瘤的90%，是全球最常见的头颈部癌症之一，2020年全球报告了约377,713例病例，据全球癌症观察机构预测，到2040年这一数字将增长约40%（Tan等人，2023年）。早期OSCC往往没有症状，这意味着患者需要更积极的治疗，功能损害更大，生存结果更差。这使得OSCC成为基于唾液的生物传感器的有力目标，因为口腔既是疾病的发生部位，也是样本生物流体的直接来源。炎症细胞因子和促血管生成蛋白是肿瘤细胞和肿瘤微环境在整个疾病发展过程中释放的相关生物标志物（Kartikasari等人，2021年），并且可以在血液和唾液等可获取的生物流体中检测到。生物传感器提供了一种非侵入性的方法，可以早期捕捉到与癌症相关的变化（Fitzgerald等人，2022年）。
尽管有这种潜力，但将生物标志物检测转化为频繁的家庭监测仍然很困难。中心实验室继续改进光纤传感及其检测方法（Geng等人，2017年；Kanchi等人，2018年），通常依赖光谱仪、光谱分析仪、可调激光源或基于光电探测器的检测单元来解析与折射率（RI）变化相关的波长或强度变化（Nedoma等人，2026年）。虽然这些仪器设备提供了高灵敏度和可靠性，但其成本、体积和操作要求使得它们仅限于实验室环境，无法用于日常家庭使用（Azab等人，2023年）。本工作正是致力于解决这些限制。
与智能手机集成在一起的光纤生物传感器提供了一种实用的方法来弥补这一差距。光纤通过监测传感器表面的RI变化如何改变传输光的强度、相位（Yang等人，2022年）或反射条件（Kuiper等人，2022年）来检测生化相互作用。在各种光纤几何形状中，D形光纤特别适用于这一目的：部分去除包层使衰减场暴露于周围介质，使传感器对RI变化和表面结合事件高度敏感（Stepniewski等人，2023年）。智能手机几乎已在全球普及，成为当今最广泛可用的计算平台之一（Kuang等人，2022年）。将这种传感机制与智能手机结合使用，完全消除了对外部分光谱仪或光电探测器的需求——智能手机本身已经具备高质量相机、内置处理能力和数据存储功能（Neubeck等人，2015年；Rateni等人，2017年）。它们在家庭中的近乎普遍存在使其成为便携式诊断的自然选择（Vashist等人，2014年）。这种组合使得原本仅限于研究实验室的测量可以在实验室外进行，这在资源有限的环境中特别有价值（Erickson等人，2014年；Martinez等人，2008年）。
唾液非常适合开发非侵入性、便携式的生物传感平台。收集唾液无需针刺，不需要专门的临床程序，可以频繁重复而不会造成不适。结合智能手机集成的光纤生物传感器，基于唾液的采样支持快速、重复的生物标志物跟踪，这是实验室方法无法实现的。最近在光纤传感方面的发展突出了D形和微结构光纤几何形状作为高灵敏度、紧凑型生物检测平台的潜力（Chao和Chau，2026年）。基于这些动机，本工作提出了一种基于智能手机的D形POF生物传感器，作为完全光纤化的、无透镜的系统。本工作的目标是开发一种便携、低成本的生物标志物检测设备，未来在进一步验证后有可能在实验室外使用。与传统的笨重激光-透镜-比色皿-光谱仪装置（Yang和Hu，2024年）甚至之前的依赖外部LED的智能手机系统（Melo等人，2024年）相比，这种设计消除了对任何外部光学组件的需求。（图形摘要（b-c））该平台在多个方面都是自制的：1）制造使用3D打印机和手动旋转工具抛光；2）“仪器”是智能手机，替代了光谱仪、可调激光器和光电探测器；3）检测软件是一个定制的应用程序。这与其他基于智能手机的光纤系统不同，后者仍然依赖于光谱仪（Bremer和Roth，2015年）或与手机配对的外部光源（Haider等人，2025年），这些组件增加了设置的复杂性；或者依赖于对光纤的成像扫描（Guner等人，2017年），这种方法降低了灵敏度和多路复用的优势。
章节片段
试剂和材料
氢氧化钾（KOH，≥85%）、（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷（APTMS，97%）、戊二醛溶液（GA，50% v/v in H?O）、磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4，0.01 M）和甲基聚乙二醇胺（mPEG-amine）均从Thermo Scientific（美国马萨诸塞州沃尔瑟姆）购买。APTMS在使用前立即用异丙醇配制成3%（v/v）溶液。单克隆抗IL-8抗体（CLOUD-CLONE CORP.，商品编号MAA080Hu22）以4 μg/mL的工作浓度使用。
图像处理和数据分析
图像预处理和信号特征提取在MATLAB中完成。所有记录的图像都被裁剪到定义的ROI中，以包含D形传感窗口（见S1节）。分别提取RGB颜色通道，并提取RGB通道的平均像素强度。选择强度积分技术作为主要的信号指标。这涉及到在两个阈值之间对像素强度求和，以获得“外部”强度总和
结论
本研究证明了便携式、集成在智能手机中的D形POF生物传感器在人工和人唾液中检测IL-8的可行性。手工抛光的D形传感器达到了361.40%/RIU的灵敏度（R2 = 0.9835），最低估计的IL-8 LOD为162 aM，显示出对未来研究与OSCC相关的唾液生物标志物分析的潜在敏感性。使用IL-8加入健康人唾液进行的初步实验表明
CRediT作者贡献声明
：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，验证，方法论，调查，概念化。：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，软件，方法论，调查。：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿，可视化，方法论，调查，概念化。：撰写 – 审稿与编辑，调查，资金获取，概念化。 资金支持
本研究得到了哈萨克斯坦共和国科学与高等教育部的科学委员会[资助编号AP32715675, AP32727429]和纳扎尔巴耶夫大学[代码: 110326FD3224]项目的支持。
利益冲突声明
? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文报告工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
作者感谢Zhannat Kappasov提供了本研究中使用POF。
