超灵敏DNA检测技术：基于锥形光子晶体光纤干涉仪的生物传感器

一、引言

在生物医学检测领域，DNA 检测一直是疾病诊断、微生物监测和环境科学中的关键环节。然而，传统的 DNA 检测方法如荧光标记、电化学检测等，往往面临着响应速度慢、检测限高、易受干扰等问题。如今，一项新的研究成果为 DNA 检测带来了革命性的变革——一种基于锥形细径光子晶体光纤干涉仪（TTD-PCFI）的生物传感器，以其超低检测限和高特异性，为超灵敏 DNA 检测开辟了新的道路。

二、技术原理与创新

TTD-PCFI 生物传感器的核心在于其独特的结构设计和光学原理。该传感器由两段单模光纤（ single mode fibers，SMFs）和一段锥形光子晶体光纤（PCF）组成。当光通过 SMF 传播并进入锥形过渡区域时，部分光被耦合到包层中激发高阶包层模式，而另一部分光继续沿 PCF 的纤芯传播。在锥形腰部区域，部分光泄漏到空气中形成传感渐逝场，随后光束在第二个锥形过渡区域重新组合并耦合回 SMF 的纤芯中，产生干涉。这种干涉现象使得传感器能够对周围环境的折射率变化极为敏感，从而实现对 DNA 的高灵敏度检测。

图1. TTD-PCFI结构图

与传统的未锥形 PCF 相比，TTD-PCFI 通过优化锥形腰部直径（约 8.63 ㎛），显著增强了渐逝场强度，降低了光传输损耗，极大地提高了与外部环境的相互作用效率。这种结构上的创新，使得 TTD-PCFI 在折射率（RI）传感方面实现了高达 3842.5 nm/RIU 的灵敏度，为超灵敏 DNA 检测奠定坚实的基础。

三、实验成果与性能表现

对于 DNA 检测，TTD-PCFI检测范围覆盖了从 1 fM到 1 pM的浓度区间，灵敏度高达 632 fM/lg。更为重要的是，该传感器的检测限（LoD）低至 410 aM，这一检测限远低于目前大多数现有的光纤生物传感器，甚至能够实现对 25 个碱基的目标单链 DNA 的单碱基错配检测，充分证明了其在高特异性检测方面的巨大潜力。

此外，TTD-PCFI 生物传感器还表现出良好的稳定性。在空气和水中分别进行了 60 min的稳定性测试，结果显示，在水中的稳定性更高，这主要归因于微流控通道对部分干扰光场的吸收和封装作用。在实际检测过程中，传感器通过表面功能化处理，成功将探针 DNA 固定在其表面，确保了 DNA 混合反应的高效进行。

图2. DNA生物传感器在60min内的稳定性测量：（a）空气和（c）水中的透射光谱；（b）空气和（d）水中1300nm附近的波长波动

四、应用前景与意义

TTD-PCFI 生物传感器的出现，为 DNA 检测领域带来了诸多突破。其无需标记、高灵敏度、超低检测限和高特异性的特点，使其在疾病早期诊断、微生物检测以及环境监测等领域具有广泛的应用前景。例如，在疾病诊断中，该传感器能够快速、准确地检测出低浓度的病原体 DNA，为疾病的早期干预和治疗提供有力支持；在环境科学领域，它可以用于检测水体、土壤等环境样本中的微生物 DNA，为环境质量评估和污染治理提供科学依据。