基于雙光學(xué)頻率梳的生物傳感器實現(xiàn)生物分子檢測

生物分子的快速、高靈敏度檢測對于感染性病原體、生物標(biāo)志物和污染物的生物傳感非常重要。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，由日本德島大學(xué)（Tokushima University）、東洋大學(xué)（Toyo University）和高知工科大學(xué)（Kochi University of Technology）組成的科研團(tuán)隊在Scientific Reports期刊上發(fā)表了以“Rapid, high-sensitivity detection of biomolecules using dual-comb biosensing”為主題的論文。該論文共同第一作者為Shogo Miyamura和Ryo Oe，通訊作者為Taira Kajisa和Takeshi Yasui。

這項研究旨在通過提高基于光學(xué)頻率梳（OFC）的光學(xué)生物傳感性能，實現(xiàn)SARS-CoV-2核衣殼蛋白抗原的快速靈敏檢測?？乖?抗體的相互作用產(chǎn)生的病毒濃度相關(guān)的頻譜偏移（spectrum shift）通過OFC中光學(xué)與射頻（RF）間的頻率轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)化為光子的射頻偏移（RF shift），有助于通過成熟的電頻率測量來實現(xiàn)快速靈敏地檢測。此外，采用雙梳結(jié)構(gòu)的主動-虛擬（active-dummy）溫度漂移（temperature-drift）補(bǔ)償，能夠從由溫度擾動引起的大而可變的背景信號中提取基于病毒濃度信號的微弱變化。雙梳生物傳感性能的實現(xiàn)有望大大提升生物傳感器對病毒、生物標(biāo)志物、環(huán)境激素等因素的適用性。

在這項研究中，研究人員嘗試設(shè)計一種將“光子到射頻的轉(zhuǎn)換”與“抗原-抗體相互作用”相結(jié)合的OFC生物傳感器。生物傳感OFC主要通過三個步驟實現(xiàn)：（1）抗體修飾的傳感器表面上的抗原-抗體相互作用；（2）腔內(nèi)多模干涉（MMI）光纖傳感器提供的OFC的基于折射率（RI-dependent）的頻譜偏移；（3）通過光纖腔的波長色散進(jìn)行光子到射頻的轉(zhuǎn)換，如圖1a所示。圖1b為具有抗體表面修飾的腔內(nèi)MMI光纖傳感器示意圖。

圖1 生物傳感OFC的工作原理

單梳結(jié)構(gòu)的溫度漂移

研究人員首先評估了單梳傳感OFC的frep對腔溫的依賴性，因為對光纖OFC腔的溫度擾動會通過nL的熱膨脹或收縮而產(chǎn)生波動frep。為此，研究人員測量了在不受控制的腔溫下，OFC傳感單梳結(jié)構(gòu)frep的時間漂移，如圖2a所示。

圖2 具有溫度漂移的純水單梳RI傳感的基本性能

雙梳結(jié)構(gòu)對溫度漂移的主動-虛擬補(bǔ)償

因此，為了進(jìn)一步減少溫度漂移，研究人員采用雙梳結(jié)構(gòu)對溫度漂移進(jìn)行主動-虛擬補(bǔ)償。采用頻率間隔為frep1的主動傳感OFC與頻率間隔為frep2的虛擬傳感OFC構(gòu)成的雙梳結(jié)構(gòu)來補(bǔ)償溫度漂移。圖3a為雙梳結(jié)構(gòu)示意圖，其中一對光纖OFC腔被置于由絕緣材料覆蓋的鋁盒中，使二者受到的溫度漂移影響相同。圖3b-d分別為純水雙梳RI傳感、甘油溶液雙梳RI傳感和SARS-CoV-2 N蛋白抗原雙梳生物傳感的MMI和樣品細(xì)胞示意圖。具有溫度漂移的純水雙梳RI傳感的基本性能如圖4所示。

圖3 雙梳RI傳感與生物傳感實驗裝置

圖4 具有溫度漂移的純水雙梳RI傳感的基本性能

接下來，研究人員測試了與參考樣品不同的液體樣品的RI傳感主動-虛擬溫度補(bǔ)償。對于RI傳感，主動和虛擬傳感OFC在MMI中沒有表面修飾。研究人員使用由不同比例的甘油與純水組成的甘油溶液（對應(yīng)不同的RI），作為主動傳感OFC的目標(biāo)樣品，測試結(jié)果如圖5所示。

圖5 甘油溶液的無溫度漂移的雙梳RI傳感

SARS-CoV-2 N蛋白抗原的快速檢測

通過對腔內(nèi)MMI光纖傳感器進(jìn)行抗體修飾，可以構(gòu)建用于通過抗體-抗原反應(yīng)檢測目標(biāo)抗原的光子射頻生物傳感器，因為基于RI的frep偏移可轉(zhuǎn)化為基于抗原濃度的frep偏移（如圖1a）。研究人員證實了在上述高精度RI傳感中使用雙梳結(jié)構(gòu)實現(xiàn)主動-虛擬補(bǔ)償?shù)挠行?。由此提高的RI精度涵蓋了由傳感器表面抗原-抗體相互作用所期望的有效RI變化，因此這些雙梳傳感OFC可應(yīng)用于快速、高靈敏度的病毒/病原體及生物分子檢測。實驗結(jié)果如圖6所示，通過這種方式，研究人員證明了在此濃度范圍的快速檢測SARS-CoV-2 N蛋白抗原的潛力。

圖6 針對SARS-CoV-2 N蛋白抗原的快速、高靈敏度雙梳生物傳感

綜上所述，這項研究已經(jīng)證明了雙梳生物傳感可以快速、高靈敏度地檢測生物分子。這是OFC本身作為生物傳感器的首次應(yīng)用。該OFC集成了光子-射頻轉(zhuǎn)換、腔內(nèi)傳感器和主動-虛擬雙梳溫度補(bǔ)償，能夠在10分鐘的測量時間內(nèi)檢測出檢出限（LOD）為37 aM的SARS-CoV-2 N蛋白抗原。當(dāng)前新冠肺炎（COVID-19）大流行有望在不久的將來逐漸減弱。然而，人類總是面臨著新的病毒再次出現(xiàn)的傳染風(fēng)險。由于雙梳生物傳感技術(shù)可以通過抗原抗體的反應(yīng)或其他分子的識別來檢測病毒，因此將其作為應(yīng)對未知傳染病的前瞻性措施具有重要意義。雙梳生物傳感同時實現(xiàn)了高靈敏度和快速測量，有望大大增強(qiáng)了生物傳感器對病毒、生物標(biāo)志物、環(huán)境激素等因素的適用性。

這項研究獲得了日本學(xué)術(shù)振興會（22H00303）、日本醫(yī)療研究開發(fā)機(jī)構(gòu)（20he0822006j00）、日本科學(xué)技術(shù)振興機(jī)構(gòu)（JPMJMS2025）和日本內(nèi)閣府的資助和支持。

審核編輯：劉清