基于腐蝕型光纖布喇格光柵的生物傳感器

周雨萌，趙春柳，郎婷婷

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光電子技術(shù)研究所，杭州310018）

基于腐蝕型光纖布喇格光柵的生物傳感器

周雨萌，趙春柳*，郎婷婷

（中國(guó)計(jì)量學(xué)院 光電子技術(shù)研究所，杭州310018）

提出了一種將光纖傳感技術(shù)與生物反應(yīng)放大技術(shù)相結(jié)合的方案，實(shí)現(xiàn)了鏈酶親和素濃度的檢測(cè)。該方案采用硅烷偶聯(lián)的方法對(duì)光纖進(jìn)行表面改性，結(jié)合生物素-親和素反應(yīng)放大系統(tǒng)對(duì)生物濃度信號(hào)進(jìn)行放大，并采用腐蝕型光纖布喇格光柵結(jié)構(gòu)作為敏感元件將生物濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)進(jìn)行表達(dá)。該傳感器對(duì)目標(biāo)物質(zhì)具有特異性吸附能力，表明該傳感器能準(zhǔn)確識(shí)別鏈霉親和素，在0m g/m L～1.0m g/m L濃度下靈敏度可達(dá)0.5452nm/m g/m L，能實(shí)現(xiàn)定量測(cè)量，在抗原抗體檢測(cè)、蛋白質(zhì)檢測(cè)等領(lǐng)域有較好的應(yīng)用前景。

鏈霉親和素；光纖布喇格光柵；生物傳感器

0 引言

光纖傳感器自1962年第一次提出便引起關(guān)注，并迅速成為研究熱點(diǎn)，在生物檢測(cè)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用，為生命科學(xué)的發(fā)展做出了巨大貢獻(xiàn)。隨著生物技術(shù)的發(fā)展，需要檢測(cè)的物質(zhì)越來越多，從最初出現(xiàn)的葡萄糖傳感器，到現(xiàn)在出現(xiàn)的細(xì)胞、微生物、抗原抗體及癌細(xì)胞蛋白傳感器，對(duì)其精度的要求也越來越高。近些年，光電技術(shù)逐漸被應(yīng)用在生物傳感領(lǐng)域，使得生化傳感器得到快速發(fā)展，由于光信號(hào)對(duì)外界環(huán)境變化非常敏感，將生物反應(yīng)程度通過光信號(hào)表達(dá)，可以檢測(cè)生物量微小含量或濃度的變化。本文針對(duì)生物傳感領(lǐng)域中鏈霉親和素濃度檢測(cè)的問題，提出了一種基于腐蝕型光纖布喇格光柵結(jié)構(gòu)的生物傳感器，采用表面硅烷偶聯(lián)技術(shù)將生物素固定在腐蝕后的光柵柵區(qū)表面，可用于鏈酶親和素濃度的檢測(cè)，當(dāng)鏈霉親和素濃度在0mg/mL～1.0mg/mL范圍內(nèi)變化時(shí)，濃度測(cè)量靈敏度可達(dá)0.5452nm/mg/mL，該反應(yīng)原理可以用來模擬抗原抗體的免疫反應(yīng)。

1 實(shí)驗(yàn)裝置及傳感原理

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

采用腐蝕型光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG）進(jìn)行鏈霉親和素濃度檢測(cè)的實(shí)驗(yàn)裝置圖如圖1所示。

圖1 腐蝕型FBG測(cè)量鏈酶親和素實(shí)驗(yàn)裝置

從光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)由三端口環(huán)形器1端口到達(dá)2端口，并經(jīng)過傳輸光纖到達(dá)腐蝕型光纖布喇格光柵（光纖探針），經(jīng)過敏感單元（光柵柵區(qū)）反射以后，反射光信號(hào)沿傳輸光纖返回，經(jīng)過三端口光環(huán)形器2端口從3端口到達(dá)光譜分析儀。FBG放置在帶有凹槽的平臺(tái)上，凹槽中滴入液體時(shí)，F(xiàn)BG可以完全浸入液體中。后面進(jìn)行光柵腐蝕和表面硅烷偶聯(lián)處理時(shí)均在此平臺(tái)上進(jìn)行。

1.2 傳感原理

光纖布喇格光柵的諧振條件為：

2 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果

2.1 腐蝕FBG

我們采用化學(xué)腐蝕法對(duì)光纖布喇格光柵進(jìn)行腐蝕，相比需要很長(zhǎng)時(shí)間的采用物理研磨加工的方法，化學(xué)腐蝕法得到的結(jié)構(gòu)更加均勻，成本更低。實(shí)驗(yàn)中我們采用氫氟酸(HF)溶液對(duì)FBG進(jìn)行腐蝕。

SiO2在HF溶液中的化學(xué)反應(yīng)方程式可表示為：

從式（2）、式（3）可以看出腐蝕過程中，SiO2與溶液中HF分子發(fā)生能夠反應(yīng)，使SiO2溶解從而使光柵變薄。

實(shí)驗(yàn)中，我們采用濃度為16.7%的氫氟酸溶液（溶液中氫氟酸、氟化胺和去離子水的比例為1∶2∶3）對(duì)FBG進(jìn)行慢腐蝕，腐蝕過程中要保證液體灌入凹槽時(shí)柵區(qū)表面完全浸入液體中并且液體均勻接觸，使其能充分與光柵表面SiO2發(fā)生反應(yīng)。在腐蝕的過程中，對(duì)FBG進(jìn)行顯微拍照，結(jié)果如圖2所示。腐蝕13.5小時(shí)后，光柵的直徑從125μm降低為6.574μm，腐蝕速度約為0.15μm/min。

圖2 FBG腐蝕顯微拍照?qǐng)D

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)FBG的直徑腐蝕至20μm以下時(shí)，折射率靈敏度將隨著FBG包層腐蝕深度的增加而迅速上升[3]。對(duì)于腐蝕型FBG，腐蝕深度越深，折射率靈敏度越高，但隨著腐蝕深度的增加，光柵直徑變細(xì)，其機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度將大大降低。實(shí)際試驗(yàn)中，我們采用腐蝕10小時(shí)的FBG，其直徑大小約為45μm。

2.2 FBG生物探針的制備

利用FBG進(jìn)行生物傳感，對(duì)鏈霉親和素的濃度進(jìn)行檢測(cè)，其核心是利用鏈霉親和素與生物素特異性吸附的機(jī)理，我們利用表面硅烷偶聯(lián)的原理將生物素固定在腐蝕后的光柵表面形成分子探針，探針將吸附被測(cè)物中的鏈霉親和素，使光在光柵中的傳輸特性發(fā)生改變。

利用硅烷偶聯(lián)的方式對(duì)光柵表面進(jìn)行修飾，制作工藝簡(jiǎn)單，能形成單層自組裝膜(Self-assembled monolayer,SAM)。SAM采用化學(xué)結(jié)合的方式，穩(wěn)定性高，單層膜的厚度只有幾個(gè)納米卻能使基質(zhì)表面性能得到很大改善[4,5]。

硅烷的化學(xué)通式為RSiX3，R通常為氨基(或巰基、乙烯基、環(huán)氧基、氰基等)[6]，X代表可水解基團(tuán)，它的兩端具有兩種不同的化學(xué)官能團(tuán)R和X，其一端X能與無機(jī)材料如光纖表面的羥基（-OH）反應(yīng)生成穩(wěn)定的共價(jià)鍵，另一端R氨基可以與有機(jī)聚合物中的長(zhǎng)分子鏈反應(yīng)生成氫鍵。我們可以借助雙功能交聯(lián)劑即硅烷偶聯(lián)劑3-APS使光柵表面硅烷化，將氨基固定在光柵表面，然后使氨基與生物敏感材料（如生物素）共價(jià)結(jié)合至光柵表面，在光柵表面形成穩(wěn)定偶聯(lián)物。親和素分子有4條肽鏈，即有4個(gè)結(jié)合位點(diǎn)可以與生物素結(jié)合，能起到放大固定作用。生物素親和素系統(tǒng)能極大地改善光柵表面的特性，即提高了靈敏度，且不會(huì)影響生物材料的活性[7]，是一種優(yōu)良的檢測(cè)方式。

檢測(cè)試驗(yàn)中，第一步我們先進(jìn)行光柵表面硅烷化，將帶有氨基的硅烷偶聯(lián)劑固定在光柵表面。硅烷偶聯(lián)劑（3-APS）是一種常用的雙功能交聯(lián)劑，能把兩種化學(xué)性質(zhì)不同的材料 （如無機(jī)材料和有機(jī)聚合物）偶聯(lián)起來，改善材料的性能。3-APS分子作為附著力促進(jìn)劑，在SiO2等材料中得到廣泛的使用，能在光柵SiO2表面形成穩(wěn)定性極高的SAM。將光纖布喇格光柵浸入到1mg/mL的3-APS溶液中，時(shí)間為30分鐘，隨后取出，在烘箱中100℃烘烤60分鐘，使3-APS的氨基能與光柵表面SiO2充分反應(yīng)。第二步，利用共價(jià)結(jié)合的方式繼續(xù)將生物素固定在光柵表面，我們使用N-生物素羥基琥珀亞胺酸酯(N-hydroxysuccinimidebiotin, NHS-Biotin)進(jìn)行處理，NHS-Biotin是一種衍生物-活化生物素，能與鏈霉親和素的4條肽鏈產(chǎn)生強(qiáng)烈的吸附作用。將第一步處理后的光柵浸入到1mg/mL的NHS-Biotin中充分反應(yīng)約30分鐘，隨后取出并在100℃烘箱中烘烤60分鐘使生物素固定在光柵表面形成分子探針。

2.3 結(jié)果分析

檢測(cè)鏈酶親和素時(shí)，將液體滴入凹槽，當(dāng)光經(jīng)過腐蝕后的柵區(qū)時(shí)，由于柵區(qū)表面攜帶的生物素分子只對(duì)鏈霉親和素分子起選擇性特異吸附作用，從而改變柵區(qū)外界環(huán)境。根據(jù)式（1），由于纖芯中傳播的基模有效折射率對(duì)外界環(huán)境折射率變化很敏感，會(huì)使基模的有效折射率發(fā)生改變，最終導(dǎo)致FBG的反射光中心波長(zhǎng)發(fā)生移動(dòng)。對(duì)于不同濃度的鏈霉親和素溶液，柵區(qū)表面的生物素分子所吸收的鏈霉親和素分子數(shù)量不同，其表面附近的折射率變化也不同，從而使光譜分析儀接收到的反射光中心波長(zhǎng)漂移量不同，最終將鏈霉親和素的濃度信息在波長(zhǎng)的漂移中得到體現(xiàn)。采用0.1mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL三種不同濃度的鏈酶親和素溶液進(jìn)行探測(cè)，結(jié)果如圖3所示。

圖3 腐蝕型FBG測(cè)量鏈酶親和素實(shí)驗(yàn)光譜圖

我們使用切趾光纖布喇格光柵消除光譜中的旁瓣。腐蝕后的光柵空載時(shí)反射光譜諧振峰的中心波長(zhǎng)為1535.14nm，當(dāng)進(jìn)行生物素硅烷偶聯(lián)后，由于表面折射率變化，中心波長(zhǎng)漂移到1535.38nm，測(cè)量三種不同濃度值得鏈霉親和素溶液時(shí)，由于鏈霉親和素與生物素的結(jié)合情況不同，折射率變化也不同，鏈霉親和素濃度越大，折射率變化更大，中心波長(zhǎng)漂移也更大。

圖4為布喇格波長(zhǎng)與鏈霉親和素濃度的關(guān)系，當(dāng)鏈霉親和素濃度為 0、0.11mg/mL、0.51mg/mL和1mg/mL時(shí)，三者對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)分別為1535.62nm、1535.8nm和1536.1nm，靈敏度為0.5361nm/mg/mL。在實(shí)驗(yàn)中，為了保證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，只將FBG腐蝕到45μm。根據(jù)文獻(xiàn)報(bào)道，若將FBG繼續(xù)腐蝕至3.4μm，靈敏度可以達(dá)到1394nm/RIU[8]。但光柵的直徑越小，越容易折斷，作為探針是極為不利的。所以，在實(shí)際使用中，需要合理控制光柵的腐蝕時(shí)間，使光柵靈敏度和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度滿足實(shí)際要求。同時(shí)，我們也可以通過提高光譜儀的分辨精度來提高檢測(cè)的靈敏度。

圖4 布喇格波長(zhǎng)與鏈霉親和素濃度的關(guān)系

3 結(jié)束語(yǔ)

本文中我們對(duì)光柵SiO2進(jìn)行表面處理，使其對(duì)能對(duì)鏈霉親和素產(chǎn)生吸附，利用腐蝕型光纖光柵進(jìn)行鏈酶親和素的濃度檢測(cè)。相比常規(guī)的生物傳感器，采用光柵結(jié)構(gòu)的傳感器無毒無害，成本低廉，精度高，可以作為探針進(jìn)行在線檢測(cè)。實(shí)際應(yīng)用中，采用不同的修飾方式對(duì)光柵進(jìn)行修飾，可以使光柵表面帶上具有不同吸附能力的功能膜，能對(duì)不同的生物物質(zhì)產(chǎn)生吸附作用。SiO2表面改性技術(shù)已經(jīng)很成熟，利用合適的表面修飾技術(shù)，結(jié)合靈敏度更高的結(jié)構(gòu)，未來可以用于檢測(cè)抗原抗體、癌細(xì)胞等物質(zhì)，能極大地降低生物檢測(cè)的成本，有著廣闊的市場(chǎng)前景。

[1]陳艷.藻膽蛋白熒光探針的制備與優(yōu)化 [D].武漢：華中科技大學(xué), 2010.

[2]畢衛(wèi)紅,郭璇,王凌霄.免標(biāo)記光纖生物傳感器的研究進(jìn)展 [J].燕山大學(xué)學(xué)報(bào),2013(3):189-195.

[3]羅彬彬.光纖Bragg光柵傳感技術(shù)及其生化傳感應(yīng)用研究[D].成都：電子科技大學(xué),2012.

[4]矯雷子.光纖倏逝波生物膜活性在線檢測(cè)傳感器的研究[D].重慶：重慶理工大學(xué),2011.

[5]高莉?qū)?夏慧蕓,顏錄科,等.二氧化硅表面單層自組裝膜的修飾及其微加工研究進(jìn)展[J].材料導(dǎo)報(bào),2012(11):22-30.

[6]沈璽,高雅男,徐政.硅烷偶聯(lián)劑的研究與應(yīng)用 [J].生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)進(jìn)展,2006(1):14-17.

[7]蒲曉允,左世友.光纖生物傳感器技術(shù)及其應(yīng)用 [J].重慶醫(yī)學(xué),2006 (17)：1537-1538.

[8]NCLIN S,RAVOO B J,REINHOUDT D N.Engineering silicon oxide surfaces using self-assembled monolayers.[J].Angewandte Chemie,2005, 44(39):6282-6304.

Bio-sensor based on etched fiber Bragg grating

ZHOU Yu-meng,ZHAO Chun-liu,LANG Ting-ting
(Institute of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

A streptavidin concentration sensor by the combination of the biotechnology and optical fiber sensing technology is proposed in this paper.The surfacecharacteristic of optical fiber is changed by silane coupling agents.A novel biotin-advin conjugation fiber probe is synthesized and employed in the detection of streptavidin.The fiber probe is made by etched fiber Bragg grating to be a sensitive part.The concentration of streptavidin can be monitored by the change of spectrum.The initial experiments demonstrate that the biotin have excellent absorbency to streptavidin,which means it is feasible to measure the concentration of streptavidin by this fiber sensor,showing a good application prospect in antigen and antibody detection or cancer cells examination.

streptavidin,fiber Bragg grating,bio-sensor

TP212

A

1002-5561（2016）02-0043-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.013

2015-11-06。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61108058）資助；浙江省國(guó)際科技合作專項(xiàng)項(xiàng)目（2013C24018）資助。

周雨萌（1990-），男，碩士研究生，主要從事光纖生物傳感方面的研究。

趙春柳（1973-），女，教授，博士，主要研究方向?yàn)楣饫w傳感技術(shù)（Email:zhchunliu@hotmail.com）。