引言

随着全球公共卫生挑战的日益复杂化，快速、精准地检测多种病原体变得尤为重要。尤其是在面对类似症状的多种疾病时，早期诊断对于有效治疗和控制疫情至关重要。本文将介绍一种创新的生物传感技术——级联单模锥形光纤（Cascaded Single-Mode Tapered Fiber, CSMTF）传感器，它能够在同一平台上同时检测登革病毒II型包膜蛋白（DENV II E）和新冠病毒刺突蛋白（SARS-CoV-2 S），展现出卓越的灵敏度和特异性。

正文

1. 技术背景与原理

光学纤维生物传感器近年来因其高灵敏度、选择性和多参数检测能力而备受关注。这种传感器通过光与生物分子之间的相互作用揭示其存在和特性，尤其适用于无标记的生物分子测量。级联单模锥形光纤传感器通过将两段不同尺寸的光纤锥形区域串联在一起，实现了双通道传感。每个锥形区域都涂覆有特定的抗体，以捕获目标抗原。当目标蛋白质与抗体结合时，会引发局部折射率变化，从而导致光谱红移。这一现象可以用来定量分析蛋白质浓度。

2. 制备与表征

研究人员使用Vytran GPX-3000光纤工作站制备了两种锥形光纤：SMTF1（腰长5mm，腰径12μm）和SMTF2（腰长20mm，腰径10μm）。通过逐步拉伸标准单模光纤（Corning SMF-28™），形成非渐变的锥形区域，以诱导干涉效应。随后，两个锥形光纤通过熔接连接，以减少菲涅尔反射干扰。实验装置包括一个C波段光源和一个光谱分析仪，用于记录光谱响应。

3. 表面功能化与抗体固定

为了确保传感器的选择性，研究人员在锥形光纤表面固定了重组的登革病毒II型包膜蛋白抗体和新冠病毒刺突蛋白抗体。具体步骤包括：首先用NaOH处理光纤表面，引入羟基官能团；然后依次使用APTES、戊二醛和抗体溶液进行表面修饰。每次处理后均通过光谱变化确认功能化过程的成功。例如，添加APTES后，SMTF1的峰值红移了1.24nm，SMTF2则红移了2.05nm。最终，固定抗体后，峰值进一步红移，表明抗体成功附着。

4. 双病原体检测性能

实验结果表明，CSMTF传感器对登革病毒II型包膜蛋白和新冠病毒刺突蛋白表现出高度敏感性和特异性。随着蛋白质浓度的增加，光谱呈现一致的红移现象，且线性关系良好。SMTF1的灵敏度为6.91 nm/nM，SMTF2的灵敏度为9.96 nm/nM，检测限低至0.1 pM。此外，通过引入MERS-CoV作为阴性对照，验证了传感器的选择性，证明其仅对目标抗原产生显著响应。

5. 形貌与成分分析

为进一步确认蛋白质的固定效果，研究人员采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和能量色散X射线光谱（EDX）进行了表征。结果显示，添加蛋白质后，光纤表面形态发生变化，直径略有增大，碳含量增加，氧含量减少。这些变化证实了蛋白质分子的成功附着。

6. 拉曼光谱验证

通过拉曼光谱分析，研究人员观察到固定抗体前后光谱的变化。例如，在检测登革病毒II型包膜蛋白时，490 cm⁻¹处的峰强度显著增加，表明蛋白质分子大量附着于表面。类似现象也在新冠病毒刺突蛋白的检测中得到验证。这些结果与预期的免疫反应相符，进一步证明了传感器的有效性。

结论

本研究开发的级联单模锥形光纤传感器展示了对登革病毒II型包膜蛋白和新冠病毒刺突蛋白的高效检测能力。其灵敏度、特异性和快速响应时间使其成为早期诊断的理想工具。尽管目前仍面临一些挑战，如大规模生产和便携式设备集成，但该技术的潜力巨大，有望在未来应用于现场即时检测，为公共卫生管理提供有力支持。

Fig. 1. （a）用于级联 SMTF 的实验设置以及（b）所得的光谱轮廓。

Fig. 2. （a）带有生物功能层的直列锥形光纤以及（b）每个功能化过程后的输出光谱。

Fig. 3. （a）当级联 SMTFs 传感器引入不同浓度的双重蛋白质时的输出光谱和（b）波长位移趋势线，以及（c）传感器输出光谱与阴性对照（MERS-CoV）的比较。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117200