光学生物传感器 研究人员发明了一种新的纳米光学生物传感器 可用来检测癌症
研究人员发明了一种新的纳米光学生物传感器 可用来检测癌症
生物传感器是重要的诊断设备，必须是快速、廉价和易于使用的。如果生物传感器外形紧凑，可自主操作，那么从医生到病人本身都可以使用，这样一来价值就非常高。大多数光学生物传感器需要宽范围的光色作为基础（像彩虹一样）才能可靠地运行，对宽范围光色的需求使传感器变得笨重、昂贵和更加复杂。
今天的大多数生物传感器需要一个光谱仪来从每种光色中提取最精确的数据，从而限制了它们的使用。EPFL的科学家们提出了一个新的概念，允许单一的光色作为一个简单的成像检测器来操作。尽管只使用单一颜色的光，但该系统提供了极其精确的生物感应信息，就像整个彩虹色的光照亮了传感器一样。
新的生物传感器使用了两种特定的功能，包括纳米光子学和数据科学技术。芯片本身是由硅制成的纳米结构构建而成。纳米结构硅表面具有100纳米左右的特征，可以更有效地在生物样品/芯片界面上捕获光线。这使得生物传感器对生物标志物的存在极为敏感，导致入射光特征的明显变化。
该特征是被称为光强度的收集光的 "量"的变化。通常情况下，照相机连续接收通过生物芯片的光，从生物芯片上获取数百万图像像素的强度信息。附着在生物芯片上的纳米结构上的生物标记物和强度变化图像是由每个像素的诱导强度变化以非常高的分辨率编制而成。
研究人员利用数据科学技术与预先记录的性能图相结合，处理来自大量像素的光强度信息。该系统考虑每个像素的效率，并以集体方式调整其对最终读数的贡献。研究人员将这一过程比喻为在收到一群专家的意见后，通过仔细权衡他们在该领域的知识，做出一个可靠的结论。
该项目的科学家们创建了一个演示，使用新的生物传感器进行癌症诊断，检测肿瘤外显子，这是早期癌症的生物标志物。该团队确定，基于图像的生物传感器可以在广泛的检测范围内实时监测乳腺癌外显子，使其对健康和生病的人都具有临床意义。
科学家成功提取直径5μm的藕丝光纤，能用于极小区域生物传感探测
从直径 8cm 左右的莲藕片中提取出来直径 3μm-5μm 莲藕丝微光纤，这不是在做一道高级菜品，而是暨南大学教授李宝军团队、副教授杨先光课题组的一项纳米光学新成果。
（来源：Nano Letters）
这种莲藕丝微光纤，兼具生物相容性高、有源波导损耗极低的特点，能在可见光范围之内实现无源波导。同时，由于该光纤的直径较小，并且具备柔性微纤维的特性，故能用于极小探测区域的生物传感应用。
它不仅能展现出固有的荧光效应，并能实现耦合光的波导效应，这些独特性质让单丝监测器可以成为具备多种传感功能的出色组件，从而能够用于 pH 值探测和细菌活性检测。
同时，这些特性也为发展环保型多路生物传感技术做出了积极贡献。
图 | 杨先光（来源：杨先光）
就其应用前景来说：
其一，能够促进生物传感技术的发展。
通过利用莲藕丝微光纤的良好生物相容性和柔性微纤维，单丝监测器有望成为生物传感领域的重要组件。
将其用于生物体之内，可以监测不同环境条件下的生理指标比如 pH 值等，从而为医学诊断和健康监测提供新途径。
其二，能够用于环境监测和污染检测。
单丝监测器的特性使其能够用于监测环境中的各种污染物质，例如细菌活性检测。这对于环境监测和水质安全具有重要意义，有助于及早发现并应对潜在的环境问题。
其三，能够促进光学器件的创新。
莲藕丝微光纤的波导特性，为光学器件带来了新的可能性，包括助力开发新型光学传感器、波导调制器等，进而用于通信、成像和其他光学应用领域中。
其四，能够用于生物医学工程。
利用莲藕丝微光纤的柔性微纤维，有望造出新型可植入式设备，从而在组织工程和药物输送等方面发挥作用。
同时，本次提取的莲藕丝微光纤直径均匀、表面光滑几乎无光学缺陷，在不同波长激光照射下显示出明显的红、绿、蓝荧光，并表现出稳定的荧光强度。
这种荧光信号可以沿着莲藕丝微光纤的轴向传输，实现类似于通信光纤的传输特性。
此外，莲藕丝微光纤具有良好的柔韧性和灵活度，可弯曲成不同形状，能用于集成微纳光学器件。
（来源：Nano Letters）
而杨先光课题组的长远目标，是打算把藕丝光学传感器用于人体胃液样本，为此首先需要精确地模拟胃液环境，不仅包括对胃液的液体环境进行探测，同时还需要监测胃液幽门螺杆菌的变化。
为了实现这一目标，他们打算在模拟胃液微环境中，同时获取有源波导和无源波导的光信号，以便实现生物友好、简单方便的人体胃液样本医疗监测。
科研选题，缘何选中一块莲藕？
那么，杨先光是基于哪些原因将课题选在一块莲藕片上？对此他表示，在现代生物物理学和生物医学中，持续监测生物体的生理病理状态非常重要。
即使是基线参数之上的微小波动，也可能是细胞反应的生物学变化或功能变化的信号。
为了解决生物环境的研究和诊断，微/纳米光学生物传感器已经成为强大的工具。
基于微/纳米光纤的光学生物传感器，在探测和监测液体环境和生物活性方上的确具有很高价值。
（来源：Nano Letters）
然而，目前大多数传统光纤仍然是基于玻璃、半导体或金属材料的，并不完全适合于生物相关的环境，容易受到折弯、弯曲或挤压等物理损坏。
目前，生物传感器使用的传统光纤材料的损耗水平在 0.1dB/μm，存在损耗高的问题。
而且在与生物样本接触时，由于生物相容性较差，传统光纤容易对样本产生不良影响。同时，信号容易发生交叉干扰，导致灵敏度低。
而莲藕片这样一种纯天然材料，恰好可以解决上述问题。然而，如何精准地从莲藕丝纤维束中分离出来单丝微纤维，是摆在课题组面前的第一个难题。
莲藕丝纤维束被果胶等成分包裹，不仅排列整齐、而且呈螺旋结构，这使得获取单丝微纤维不仅需要去除果胶等成分，还需要解螺旋并精准地抽取出目标纤维。
（来源：Nano Letters）
而在微纳米尺度实现解螺旋更是困难重重。然而，该团队先是研究莲藕复丝整整两年之久，后又通过三个月的不懈攻克，成功摸索出化学辅助物理分离的创新方法，最终取得了直径均匀、表面光滑、长度可观的单丝微纤维。
具体来说，他们通过反复使用强碱溶液和去离子水，使得莲藕丝纤维束中的每两根单丝微纤维得以自由状态。
接着，借助两根熔融拉制的锥形光纤和双面胶，巧妙地将纤维束拉直，并在两端用双面胶固定。
然后，将锥形光纤缓慢地穿插到莲藕丝束之间，再利用锥形光纤直径较大的部分施加横向力。
接着，在光纤调节架的帮助之下，精确地控制横向力的方向和大小，最终获取了所需的单丝微纤维。
这时，他们将抽取出来的莲藕丝束，在质量浓度为 20g/L 的氢氧化钠水溶液中浸泡两小时，然后利用光纤将莲藕丝转移到干净的玻片上，反复 6 次滴加去离子水，借此清除残留的氢氧化钠溶液。
（来源：Nano Letters）
再利用精密度达到 50 纳米的光纤调节架，将莲藕丝微光纤分离出来，此时的莲藕丝微光纤具有螺旋式的结构。
随后，再对莲藕丝微光纤进行形貌表征。即先将莲藕丝微光纤转移到干净的硅片上，在温度为 25℃ 的烘箱中干燥 30 分钟。
而后，打开扫描电子显微镜并将电压调整为 20KV，这时利用二次电子发射，通过高真空环境下 3.5K 倍镜进行显微观察，借此得到莲藕丝微光纤的微观表面结构。
显微镜下的莲藕丝微光纤呈现出一维柱形结构，长度大于 600μm，直径为 3μm-5μm，其不仅直径均匀，而且表面光滑、光学缺陷也非常少。
然后，他们开始研究莲藕丝微光纤的无源波导特性和有源波导特性。在不同的位置上，课题组利用光纤分别将红、绿、蓝三种颜色的激光，耦合进入莲藕丝微光纤之内进行传输。
由于莲藕丝微光纤的折射率远大于空气折射率，因此这种设计能够有效降低光在莲藕丝微光纤传输过程中的散射损失。
通过此，在莲藕丝微光纤的末端，他们成功探测到不同传输距离下的无源光信号强度，实现了无源光波导的光学传输。
接着，他们再一次利用光纤，将蓝光耦合进入莲藕丝微光纤之内。由于光致发光的过程，会导致莲藕丝微光纤产生绿色荧光。而荧光信号会沿着莲藕丝微光纤的长度方向，传播到不同的距离。
经过显微分光光度计的物镜、滤光片、狭缝和光栅处理之后，这时带有光谱信息的光，得以到达探测器并能完成光谱采集。
借此可以实现有源波导的光学传输，也为进一步研究光波导特性提供了关键数据。
基于莲藕丝微光纤设计细菌传感器和 pH 传感器
最后，基于莲藕丝微光纤的无源波导特性和有源波导特性，该团队展示了两项应用。
其一，基于莲藕丝微光纤的无源波导特性，课题组设计了一款细菌传感器。
在细菌和细胞的凋亡过程中，细菌细胞膜的通透性的改变，会导致酶促物质逐渐从细菌细胞内部，释放到周围的液体微环境中。
在液体微环境之中，酶促物质可以通过酶的活性位点，与藕丝纤维素表面的羟基发生相互作用，从而粘附在莲藕丝微光纤表面。
而酶促物质会被莲藕丝微光纤捕获，从而能够改变莲藕丝微光纤的表面粗糙度和厚度，这时收集端探测到的光信号功率也会发生改变。
其二，基于莲藕丝微光纤的有源波导特性，课题组设计了一款 pH 传感器。
通过改变溶液的 pH 值，就能让莲藕丝微光纤的荧光强度发生可逆性变化。
其原理在于：藕丝的主要成分是纤维素，而在酸性环境中阳离子的增加，会导致电荷发生排斥，从而抑制纤维素纳米团簇分子相互作用之中的非辐射跃迁，从而增强其荧光强度。
在碱性环境中，纤维素纳米团簇的分子间的相互作用则会减弱，从而导致荧光强度的降低。
图 | 相关论文（来源：Nano Letters）
至此，莲藕丝微光纤的制备和应用均已完成。最终，相关论文以《用于生态友好型光波导和生物传感的莲花微纤维》（Light-Emitting Microfibers from Lotus Root for Eco-Friendly Optical Waveguides and Biosensing）为题发在 Nano Letters，杨先光是第一作者兼通讯作者。
参考资料：
1.Yang, X., Xu, L., Xiong, S., Rao, H., Tan, F., Yan, J., ... & Li, B. (2023). Light-Emitting Microfibers from Lotus Root for Eco-Friendly Optical Waveguides and Biosensing.Nano Letters, 24(2), 566-575.
运营/排版：何晨龙
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