F-P型光流控微腔生物傳感器實(shí)現(xiàn)超低濃度分子構(gòu)象變化過程檢測(cè)

隨著（類）器官芯片等技術(shù)的發(fā)展及其藥篩應(yīng)用，以及分子尺度細(xì)胞生物學(xué)基礎(chǔ)研究的深入，越來越需要針對(duì)單個(gè)（干）細(xì)胞或單個(gè)類器官細(xì)胞團(tuán)簇的代謝等過程，進(jìn)行快速分子檢測(cè)，乃至實(shí)時(shí)在線生化監(jiān)測(cè)。尤其是對(duì)蛋白質(zhì)等生物大分子的連續(xù)、實(shí)時(shí)、在線而又特異識(shí)別的定量傳感和檢測(cè)，一直以來是有挑戰(zhàn)的。其原因很大程度在于：包括光學(xué)、電學(xué)、機(jī)械等各種換能機(jī)制的各類已有生物大分子傳感器，要實(shí)現(xiàn)特異識(shí)別，基本仍依賴耗時(shí)復(fù)雜的表面修飾，這是這些生物大分子傳感器仍有多種功能限制和性能不足的根源之一。例如，全程傳感測(cè)定費(fèi)時(shí)、可檢測(cè)分子尺寸受限、非特異吸附干擾等等；尤其是，限制了其對(duì)生物大分子的在線、連續(xù)乃至動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)的特異識(shí)別傳感分析，大部分須“用后即拋”。

很多生物分子測(cè)定技術(shù)如經(jīng)典的酶聯(lián)免疫吸附測(cè)定（ELISA）等，以光作為信息載體，基于光吸收比色、熒光發(fā)射、吸收或散射光譜等方式，實(shí)現(xiàn)蛋白等生物大分子的特異識(shí)別后的換能傳感。近年來，光學(xué)微腔如回音壁模式（WGM）、光子晶體以及法布里-珀羅（Fabry-Pérot microcavity，F(xiàn)-P）腔等，由于高品質(zhì)因子（Q）和對(duì)光學(xué)構(gòu)型或界面光學(xué)參數(shù)變化的高靈敏度等優(yōu)勢(shì)，成為各類物理、化學(xué)和生物傳感器的理想構(gòu)型。其中，光流控WGM微泡腔傳感器被廣泛應(yīng)用于生物傳感器研究，并實(shí)現(xiàn)了超低濃度的生物分子特異性檢測(cè)。然而，目前絕大部分生物光學(xué)傳感器，尤其是基于免疫吸附等特異性識(shí)別的生物大分子光傳感器，很大程度上依賴光學(xué)界面的探針分子表面修飾來實(shí)現(xiàn)特異識(shí)別能力，而仍難突破上述技術(shù)藩籬和挑戰(zhàn)。

圖1 三種常見的光學(xué)微腔結(jié)構(gòu)及光流控WGM微泡生物傳感器原理示意圖

針對(duì)上述問題，為了構(gòu)建一個(gè)針對(duì)單個(gè)（干）細(xì)胞或單個(gè)類器官細(xì)胞團(tuán)簇的代謝等過程分析集成的檢測(cè)平臺(tái)，復(fù)旦團(tuán)隊(duì)近日研發(fā)了一種免修飾、高靈敏和高品質(zhì)因子光流控法布里-珀羅型微腔生物傳感器，這種傳感器可以檢測(cè)超低濃度（~ fg/ml）的生物分子構(gòu)象變化過程，在類器官或單細(xì)胞衍生物分析、分子構(gòu)象、臨床醫(yī)學(xué)、疫病診斷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。選用的無源傳感方案，不需要對(duì)生物分子進(jìn)行標(biāo)記，不僅避免了熒光染料的光漂白問題，更便于與類器官或單細(xì)胞衍生物芯片系統(tǒng)相集成，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)和重復(fù)性利用。然而，無源F-P光學(xué)微腔存在無法對(duì)腔內(nèi)的模場(chǎng)進(jìn)行有效約束及兩面反射鏡無法保證高度平行而引入光學(xué)走離損耗等問題，致其Q值較低。因此，盡管無源F-P光學(xué)微腔具有很高的傳感靈敏度，其低Q值導(dǎo)致光譜分辨率較低。該團(tuán)隊(duì)在研究光流控微泡生物傳感器的過程中發(fā)現(xiàn)，微泡具有微透鏡效應(yīng)，且對(duì)光場(chǎng)具有很強(qiáng)的約束能力；在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)利用這一透鏡效應(yīng)對(duì)F-P微腔內(nèi)光場(chǎng)進(jìn)行三維“裁剪”，證明微泡透鏡不僅可以縮小微腔的模式體積（~ 6倍），而且能有效地減小腔鏡傾斜角（容差高達(dá)5°）引起的光學(xué)走離損耗，從而實(shí)現(xiàn)高達(dá)10?的Q值；此外，微泡的中空結(jié)構(gòu)為生物分子的檢測(cè)提供傳輸通道，實(shí)現(xiàn)較強(qiáng)的光-物質(zhì)作用，使其體折射率傳感靈敏度可達(dá)679 nm/RIU（@950 nm），比傳統(tǒng)的光流控微泡腔傳感器高約50倍。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)F-P型光流控微腔生物傳感器的折射率探測(cè)極限進(jìn)行了表征，最終實(shí)驗(yàn)上可探測(cè)到的體折射率差（Δn）低至10?? RIU；在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)分別對(duì)免疫組分（人免疫球蛋白）和代謝組分（人血清白蛋白）的生物分子進(jìn)行了無修飾、在線實(shí)時(shí)檢測(cè)。與基于表面倏逝場(chǎng)傳感機(jī)制的光學(xué)生物傳感不同，該傳感器檢測(cè)的是溶液中由于生物分子特異性結(jié)合引起的體折射率變化。目前可實(shí)現(xiàn)5 fg/mL的人免疫球蛋白和0.5 pg/mL的人血清白蛋白超低濃度檢測(cè)。相比于現(xiàn)有的分子構(gòu)象檢測(cè)技術(shù)（如圓二色譜、光學(xué)吸收譜等），F(xiàn)-P型光流控微腔生物傳感器不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)超低濃度分子構(gòu)象的變化過程，而且只需要微量（~ 60 μL）的溶液體積。這項(xiàng)工作為今后在體內(nèi)或體外（如單細(xì)胞或類器官的動(dòng)態(tài)代謝物分析）進(jìn)行在線、集成和動(dòng)態(tài)生物分子分析提供了一條新的技術(shù)路線。

圖2 三維構(gòu)型法布里-珀羅光流控微腔生物傳感器示意圖

相關(guān)研究成果以“Highly sensitive, modification-free, and dynamicreal-time stereo-optical immuno-sensor”為題于近期發(fā)表在國(guó)際知名學(xué)術(shù)期刊Biosensors and Bioelectronics上。復(fù)旦大學(xué)光科系趙旭陽為該論文的第一作者，吳翔和孫允陸為論文的通訊作者，西南技術(shù)物理研究所王浟團(tuán)隊(duì)參與該項(xiàng)工作；研究團(tuán)隊(duì)感謝中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所趙建龍/吳蕾團(tuán)隊(duì)的幫助。該研究工作得到了中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略重點(diǎn)研究計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、上海市自然科學(xué)基金、中國(guó)北方工業(yè)集團(tuán)有限公司激光器件技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金和上海市浦江項(xiàng)目的支持。

審核編輯：劉清