利用光纤表面等离子体共振技术实现的人体IgG超低检测限

《Optical Fiber Technology》：Ultra-low detection limit of human IgG with optical fiber surface plasmon resonance

光纤传感器检测IgG新方法：金涂覆TFBG-SPR结合11-MUA自组装和AuNPs信号放大，实现23.7 pg/mL超低检测限。

　　

Xiao Jiang|Wenbo Sui|Yunchang Wang|Jie Dong|Ruotong Tian|Anhua Dong|Jun Zhou|Changyu Shen

中国浙江理工大学光电信息技术学院，杭州，浙江310018

摘要

本文提出了一种基于镀金倾斜光纤布拉格光栅（TFBG）的光纤表面等离子体共振（SPR）人IgG传感器。在TFBG表面沉积一层薄金膜以促进表面等离子体共振（SPR）的激发。随后，通过自组装过程将11-巯基十一烷酸（11-MUA）和兔抗人IgG抗体固定在金膜表面。人IgG与金纳米颗粒（AuNPs）通过离子相互作用形成AuNPs-IgG结合物，从而进一步增强抗体和抗原之间的结合，并作为信号放大器。实验结果表明，该传感器的检测限为23.7 pg/ml，比现有的基于光纤SPR的人IgG传感器低一个数量级。

引言

人免疫球蛋白G（IgG）是适应性免疫系统的关键效应分子，通过与抗原的特异性结合来中和和清除病原体。它在免疫反应中的动态作用使其成为监测疾病进展和治疗效果的重要生物标志物[1]、[2]、[3]。IgG是血液中最丰富的抗体，约占人体内所有抗体的75%。通过检测人IgG的浓度，可以评估人体的健康状况。血清中的IgG水平通常在700至1500 mg/dL之间[4]、[5]，具体数值会因年龄、检测方法和参考标准而略有差异。异常值可能与慢性感染、慢性肝病和其他疾病相关[6]。因此，IgG检测在临床领域具有重要的应用价值[7]、[8]、[9]、[10]、[11]、[12]、[13]。传统的IgG检测方法（如免疫浊度法[14]）往往操作复杂且需要标记，限制了其实用性。替代方法（包括酶联免疫吸附测定法[ELISA][15]、[16]、化学发光测定法[17]和纳米颗粒增强免疫浊度法[18]）则受到高成本和资源密集型实验流程的阻碍。鉴于这些限制，准确的IgG定量具有重要的临床意义，既是评估免疫能力的基本指标，也是诊断多种病理状况的关键生物标志物。

光纤传感器由于其固有的优势（包括抗电磁干扰、成本效益、高灵敏度和化学稳定性[19]），在生物医学检测中引起了广泛的研究兴趣。特别是基于表面等离子体共振（SPR）的光纤生物传感器，凭借高灵敏度、无需标记和实时检测的特点，已成为生化分析中的强大工具[20]、[21]、[22]、[23]。通过在传感器表面进行生物功能化处理，抗原和抗体的结合会导致周围折射率的变化，从而引起透射光谱的变化。通过测量波长位移或振幅变化，可以定量检测IgG浓度[24]。例如，一种聚肽纳米纤维（PN）修饰的光纤SPR生物传感器可用于检测浓度为0.015 μg/mL的IgG[25]。Liu[26]介绍了一种改进的光纤SPR传感器，该传感器结合了金纳米颗粒（AuNPs）和MoS₂纳米片，检测限为54 ng/mL。Du[27]开发了一种U形SPR传感器，集成多模光纤用于检测IgG，通过镀金膜、氧化铟锡和AuNPs处理后，其灵敏度达到7.824 nm/(μg/ml)，检测限为1.28 ng/mL。Sui[28]设计了一种基于2H-MoS₂/L-半胱氨酸的光纤传感器，用于检测IgG，检测限为0.87 ng/mL。尽管基于SPR的光纤传感器被广泛用于IgG检测，但实现微量IgG浓度的精确定量仍然是一个挑战[29]。目前的IgG检测方法通常具有纳克/毫升级别的检测限，限制了其在早期诊断中的灵敏度。幸运的是，集成到光纤平台中的TFBG通过激发超窄带宽的包层模式和多个共振峰，提供了一个有前景的解决方案。这些峰对环境折射率的变化具有极高的灵敏度，使TFBG非常适合超灵敏的生物分子检测[30]、[31]、[32]、[33]、[34]、[35]、[36]、[37]、[38]、[39]、[40]、[41]、[42]。

在这里，我们介绍了一种具有超低检测限（LOD）的高灵敏度光纤传感器，该传感器利用了TFBG-SPR技术。为了提高检测灵敏度，在TFBG表面沉积了一层薄金膜以激发SPR。随后，通过Au-S共价键将11-巯基十一烷酸（11-MUA）固定在镀金TFBG上。11-MUA的羧基与兔抗人IgG抗体的氨基结合，形成具有高特异性的功能性生物界面，用于IgG检测。为了进一步增强兔抗人IgG与人IgG之间的结合，将人IgG与AuNPs混合，通过离子相互作用形成AuNPs-IgG结合物[43]。这种复合物与传感器表面结合，导致局部折射率显著变化和等离子体耦合效应，从而实现信号放大。这些结合物可以增强SPR信号并提高传感器的灵敏度。然而，金纳米颗粒的浓度过低会减弱两者之间的反应，而浓度过高则会导致它们聚集，影响折射率并使检测变得困难。实验结果表明，该传感器的检测限为23.7 pg/mL，至少比报道的类似IgG传感器的检测限低一个数量级。

部分摘录

TFBG-SPR传感器的制备

将光敏光纤（PS1250/1500, FIBERCORE）浸入高压H₂罐（15.2 MPa）中，在20°C下处理14天以增强其光敏性。随后，使用相位掩模技术在光纤芯中刻制一个周期为541 nm、倾斜角度为8度的1 mm长TFBG。之后，将制备好的TFBG在125°C下退火12小时。最后，将其浸入碱性RCA-1（SC-1）溶液（H₂

结果与讨论

图2显示了在空气和PBS溶液中，S偏振和P偏振入射光下功能化TFBG-SPR的透射光谱[50]。S偏振状态下的透射光谱在空气和PBS溶液中均无显著变化，而P偏振状态在PBS溶液中的透射光谱在1532–1543 nm波长范围内显示出明显的共振衰减。这是因为P偏振包层模式的径向电场满足

结论

本文提出了一种基于镀金TFBG并结合11-MUA和兔抗人IgG的高选择性和低LOD人IgG传感器。该传感器通过AuNPs/11-MUA/兔抗人IgG进行功能化，用于人IgG的检测。为了增强抗体和抗原之间的结合并提供灵敏度，将人IgG与AuNPs混合形成AuNPs-IgG结合物，从而作为信号放大器。实验结果表明，该传感器的检测限为23.7 pg/ml

CRediT作者贡献声明

Xiao Jiang：撰写 – 原始草稿、正式分析、数据管理、概念构思。Wenbo Sui：概念构思。Yunchang Wang：方法学。Jie Dong：数据管理。Ruotong Tian：正式分析。Anhua Dong：验证。Jun Zhou：研究。Changyu Shen：撰写 – 审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

中国浙江省自然科学基金（LZ25F050001）和中国国家自然科学基金（12574330, 12274386）。