【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近日，中國科學(xué)院西安光機(jī)所光子功能材料與器件研究室在光纖波導(dǎo)生化光譜檢測領(lǐng)域方向取得突破性進(jìn)展。相關(guān)成果發(fā)表于生物傳感領(lǐng)域權(quán)威期刊BIOSENSORS & BIOELECTRONICS(中國科學(xué)院一區(qū)Top，IF=10.5)。西安光機(jī)所與西安交通大學(xué)醫(yī)學(xué)部聯(lián)合指導(dǎo)的博士研究生楊嵐、西安交通大學(xué)第一附屬醫(yī)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(jī)所助理研究員王瑞多、交大一附院麻醉手術(shù)部主任朱耀民教授為共同通訊作者。論文得到了西安光機(jī)所孔德鵬研究員的悉心指導(dǎo)，西北大學(xué)江曼、燕山大學(xué)李建設(shè)教授等學(xué)者的大力支持。
 

　　果糖是葡萄糖的同分異構(gòu)體，與傳統(tǒng)血糖檢測目標(biāo)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(guān)。由于果糖在血液中痕量濃度遠(yuǎn)低于葡萄糖，且檢測易受葡萄糖干擾，傳統(tǒng)檢測方法面臨處理復(fù)雜、耗時長等難題。對此，研究團(tuán)隊創(chuàng)新性地將光纖傳感與生物分子識別“級聯(lián)”耦合，構(gòu)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(jìn)行檢測(圖1)。
 

　　圖1. (a) 所提出傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖與制備流程圖；(b) 加熱微拉錐系統(tǒng)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(qū)的熒光顯微鏡圖像。
 

　　測試結(jié)果表明，該器件對果糖標(biāo)準(zhǔn)品的動態(tài)靈敏度達(dá)5.98 nm/(μg/mL)，檢測限低至12.6 ng/mL，且清洗與基底信號恢復(fù)效率極高，可反復(fù)使用數(shù)十次仍保持初始性能，實現(xiàn)了血清果糖的高靈敏、高速、無標(biāo)記檢測。
 

　　圖2.檢測實驗裝置圖研究團(tuán)隊進(jìn)一步將該傳感器的檢測結(jié)果，與高效液相色譜-三重四極桿質(zhì)譜(LC-MS/MS)開展一致性驗證。結(jié)果顯示，二者準(zhǔn)確性與一致性表現(xiàn)優(yōu)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(jié)合性能橫向?qū)Ρ葦?shù)據(jù)(表 1)可見，該傳感器的檢出限、靈敏度達(dá)到國際先進(jìn)水平，檢測效率(單樣本 5 分鐘)躋身國際領(lǐng)先行列。此項技術(shù)可直接轉(zhuǎn)化應(yīng)用于床旁精準(zhǔn)營養(yǎng)評估與代謝病篩查場景，為臨床代謝性疾病的早期干預(yù)提供關(guān)鍵技術(shù)支撐。
 

　　圖3. (a) 傳感器透射光譜及用于監(jiān)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(yīng)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(yīng) 100 min 內(nèi)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(jié)果；(l) LC-MS 測得果糖濃度與理論濃度的 Bland-Altman 圖；橫坐標(biāo)為兩種方法所得血清果糖濃度的均值，縱坐標(biāo)為二者差值；藍(lán)色虛線為平均差值，粉色實線為平均差值 ±1.96 標(biāo)準(zhǔn)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(biāo))時的 ?λ 及其校正后的線性擬合結(jié)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(xué)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(guān)倫理規(guī)范進(jìn)行，并獲得交大一附院醫(yī)學(xué)倫理委員會的批準(zhǔn)。
 

　　光子功能材料與器件研究室近年聚焦醫(yī)工交叉領(lǐng)域發(fā)展趨勢，前瞻布局前沿應(yīng)用研究方向。在研究室統(tǒng)籌支持下，課題組持續(xù)深化與交大一附院、空軍軍醫(yī)大學(xué)唐都醫(yī)院等合作，已推動光譜檢測技術(shù)在癌癥標(biāo)志物痕量檢測、臨床血藥濃度監(jiān)測、目標(biāo)細(xì)胞精準(zhǔn)捕獲檢測等生化分析前沿方向?qū)崿F(xiàn)關(guān)鍵突破。