【儀表網 研發快訊】近日，中國科學院西安光機所光子功能材料與器件研究室在光纖波導生化光譜檢測領域方向取得突破性進展。相關成果發表于生物傳感領域權威期刊BIOSENSORS & BIOELECTRONICS(中國科學院一區Top，IF=10.5)。西安光機所與西安交通大學醫學部聯合指導的博士研究生楊嵐、西安交通大學第一附屬醫院(以下簡稱“交大一附院”)李巖松副研究員為論文的共同第一作者，西安光機所助理研究員王瑞多、交大一附院麻醉手術部主任朱耀民教授為共同通訊作者。論文得到了西安光機所孔德鵬研究員的悉心指導，西北大學江曼、燕山大學李建設教授等學者的大力支持。
果糖是葡萄糖的同分異構體，與傳統血糖檢測目標物葡萄糖不同，其血液濃度與二型糖尿病、脂肪肝、妊娠糖尿病多種代謝性疾病密切相關。由于果糖在血液中痕量濃度遠低于葡萄糖，且檢測易受葡萄糖干擾，傳統檢測方法面臨處理復雜、耗時長等難題。對此，研究團隊創新性地將光纖傳感與生物分子識別“級聯”耦合，構建出基于微球諧振腔的光纖生物傳感器，該傳感器通過光纖表面共價固定果糖的特異性適配體己酮糖激酶KHK，使得傳感器具備對果糖的特異性捕獲能力進行檢測(圖1)。
圖1. (a) 所提出傳感器的結構示意圖與制備流程圖；(b) 加熱微拉錐系統示意圖；(c) 傳感器表面修飾過程示意圖；(d) 單模光纖微球腔與七芯光纖微球腔熔接點的顯微鏡圖像；(e) 熔接點的熒光顯微鏡圖像；(f) 微拉錐七芯光纖過渡區的熒光顯微鏡圖像。
測試結果表明，該器件對果糖標準品的動態靈敏度達5.98 nm/(μg/mL)，檢測限低至12.6 ng/mL，且清洗與基底信號恢復效率極高，可反復使用數十次仍保持初始性能，實現了血清果糖的高靈敏、高速、無標記檢測。
圖2.檢測實驗裝置圖研究團隊進一步將該傳感器的檢測結果，與高效液相色譜-三重四極桿質譜(LC-MS/MS)開展一致性驗證。結果顯示，二者準確性與一致性表現優良(ICC 值 > 0.979，P-value<0.001)，且單一樣本檢測時長僅需 5 分鐘(圖 3)。結合性能橫向對比數據(表 1)可見，該傳感器的檢出限、靈敏度達到國際先進水平，檢測效率(單樣本 5 分鐘)躋身國際領先行列。此項技術可直接轉化應用于床旁精準營養評估與代謝病篩查場景，為臨床代謝性疾病的早期干預提供關鍵技術支撐。
圖3. (a) 傳感器透射光譜及用于監測 ?λ 的三個典型峰位；(b)、(c)、(d) 分別展示隨果糖檢測濃度升高，這三個峰的光譜演化過程。(e)、(f)、(g) 分別給出 Peak A、B、C 與待測液反應后的 ?λ 變化，以及沖洗后的 ?λ 變化；(h) Peak A、B、C 與 1000 ng/mL 果糖溶液反應 100 min 內的 ?λ 隨時間變化曲線；(i)、(j)、(k) 分別展示三處峰位在檢測梯度果糖樣本(理論濃度)時的 ?λ 及其線性擬合結果；(l) LC-MS 測得果糖濃度與理論濃度的 Bland-Altman 圖；橫坐標為兩種方法所得血清果糖濃度的均值，縱坐標為二者差值；藍色虛線為平均差值，粉色實線為平均差值 ±1.96 標準差(SD)的上下一致性界限；(m)、(n)、(o) 分別展示 Peak A、B、C 在檢測梯度果糖樣本(以 LC-MS 實測濃度為橫坐標)時的 ?λ 及其校正后的線性擬合結果。
表1. 所提出的光纖傳感器與已報道的光纖傳感器工作的性能比較。
研究獲得國家自然科學基金、交大一附院自主部署科研課題等項目支持。此項研究按照相關倫理規范進行，并獲得交大一附院醫學倫理委員會的批準。
光子功能材料與器件研究室近年聚焦醫工交叉領域發展趨勢，前瞻布局前沿應用研究方向。在研究室統籌支持下，課題組持續深化與交大一附院、空軍軍醫大學唐都醫院等合作，已推動光譜檢測技術在癌癥標志物痕量檢測、臨床血藥濃度監測、目標細胞精準捕獲檢測等生化分析前沿方向實現關鍵突破。
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