西安光机所在光纤波导生化光谱检测领域取得重要进展

近日，中国科学院西安光机所光子功能材料与器件研究室在光纤波导生化光谱检测领域方向取得突破性进展。相关成果发表于生物传感领域权威期刊BIOSENSORS & BIOELECTRONICS。西安光机所与西安交通大学医学部联合指导的博士研究生杨岚、西安交通大学第一附属医院（以下简称“交大一附院”）李岩松副研究员为论文的共同第一作者，西安光机所助理研究员王瑞多、交大一附院麻醉手术部主任朱耀民教授为共同通讯作者。论文得到了西安光机所孔德鹏研究员的悉心指导，西北大学江曼、燕山大学李建设教授等学者的大力支持。

果糖是葡萄糖的同分异构体，与传统血糖检测目标物葡萄糖不同，其血液浓度与二型糖尿病、脂肪肝、妊娠糖尿病多种代谢性疾病密切相关。由于果糖在血液中痕量浓度远低于葡萄糖，且检测易受葡萄糖干扰，传统检测方法面临处理复杂、耗时长等难题。对此，研究团队创新性地将光纤传感与生物分子识别“级联”耦合，构建出基于微球谐振腔的光纤生物传感器，该传感器通过光纤表面共价固定果糖的特异性适配体己酮糖激酶KHK，使得传感器具备对果糖的特异性捕获能力进行检测（图1）。

图1. (a) 所提出传感器的结构示意图与制备流程图；(b) 加热微拉锥系统示意图；(c) 传感器表面修饰过程示意图；(d) 单模光纤微球腔与七芯光纤微球腔熔接点的显微镜图像；(e) 熔接点的荧光显微镜图像；(f) 微拉锥七芯光纤过渡区的荧光显微镜图像。

测试结果表明，该器件对果糖标准品的动态灵敏度达5.98 nm/(μg/mL)，检测限低至12.6 ng/mL，且清洗与基底信号恢复效率极高，可反复使用数十次仍保持初始性能，实现了血清果糖的高灵敏、高速、无标记检测。

图2.检测实验装置图研究团队进一步将该传感器的检测结果，与高效液相色谱-三重四极杆质谱（LC-MS/MS）开展一致性验证。结果显示，二者准确性与一致性表现优良（ICC 值 > 0.979，P-value<0.001），且单一样本检测时长仅需 5 分钟（图 3）。结合性能横向对比数据（表 1）可见，该传感器的检出限、灵敏度达到国际先进水平，检测效率（单样本 5 分钟）跻身国际领先行列。此项技术可直接转化应用于床旁精准营养评估与代谢病筛查场景，为临床代谢性疾病的早期干预提供关键技术支撑。

图3. (a) 传感器透射光谱及用于监测Δλ 的三个典型峰位；(b)、(c)、(d) 分别展示随果糖检测浓度升高，这三个峰的光谱演化过程。(e)、(f)、(g) 分别给出 Peak A、B、C 与待测液反应后的Δλ 变化，以及冲洗后的Δλ 变化；(h) Peak A、B、C 与 1000 ng/mL 果糖溶液反应 100 min 内的Δλ 随时间变化曲线；(i)、(j)、(k) 分别展示三处峰位在检测梯度果糖样本（理论浓度）时的Δλ 及其线性拟合结果；(l) LC-MS 测得果糖浓度与理论浓度的 Bland-Altman 图；横坐标为两种方法所得血清果糖浓度的均值，纵坐标为二者差值；蓝色虚线为平均差值，粉色实线为平均差值 ±1.96 标准差（SD）的上下一致性界限；(m)、(n)、(o) 分别展示 Peak A、B、C 在检测梯度果糖样本（以 LC-MS 实测浓度为横坐标）时的Δλ 及其校正后的线性拟合结果。

表1. 所提出的光纤传感器与已报道的光纤传感器工作的性能比较。

研究获得国家自然科学基金、交大一附院自主部署科研课题等项目支持。此项研究按照相关伦理规范进行，并获得交大一附院医学伦理委员会的批准。

光子功能材料与器件研究室近年聚焦医工交叉领域发展趋势，前瞻布局前沿应用研究方向。在研究室统筹支持下，课题组持续深化与交大一附院、空军军医大学唐都医院等合作，已推动光谱检测技术在癌症标志物痕量检测、临床血药浓度监测、目标细胞精准捕获检测等生化分析前沿方向实现关键突破。

相关链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566325011352