研究背景

微生物诱导腐蚀（MIC）是石油天然气管道、海洋设施、能源装备等关键基础设施的主要威胁之一，每年造成巨额经济损失和严重安全风险。其核心机制是硫酸盐还原菌、希瓦氏菌等微生物在金属表面形成生物膜，通过胞外电子传递（EET）加速阴极腐蚀反应，而细胞色素 c（Cyt c）作为微生物呼吸链中的血红素金属蛋白，是 EET 过程的关键电子载体，其释放水平直接反映微生物代谢活性和生物膜状态，成为 MIC 检测的核心标志物。

当前，SPR、电化学、荧光光谱等 Cyt c 检测技术存在灵敏度低、抗干扰能力弱、设备昂贵、难以远程实时监测等缺陷，而传统光纤 MZI 传感器面临检测低浓度 Cyt c 时背景干扰大、温度串扰、界面吸附能力不足等问题。因此，开发高灵敏度、高选择性、实时无标记的 Cyt c 检测技术，对 MIC 早期预警、腐蚀速率评估和防护策略制定具有重要意义。

研究内容

为解决现有技术痛点，研究团队从传感器结构设计和功能材料改性两大核心方向开展创新：

1.不对称 MZI 光纤结构设计：摒弃传统对称 SMF-NCF-TCF-NCF-SMF 结构，采用芯偏移熔接技术构建非对称结构，利用 “长波长比短波长对折射率和温度具有更高灵敏度” 的特性，放大不同波长的差分灵敏度，为温度交叉灵敏度补偿和双参数解调奠定基础，该结构的 NCF 两端横向偏移距离约 62.5 μm，轴向长度约 1 mm。

2.高性能复合功能材料修饰：将Ti2C-MXene 与 MIL-101 (Cr) 金属有机框架复合，利用Ti2C-MXene 超高比表面积、丰富表面官能团和良好生物相容性，结合 MIL-101 (Cr) 大孔容、可调介孔结构和高密度不饱和铬位点的优势，二者形成协同作用，通过Cr3+与血红素的配位机制增强 Cyt c 结合能力；同时将 Cyt c 适体通过共价键固定在复合材料功能化的光纤表面，作为特异性识别元件，捕获目标物后发生构象折叠，放大局部折射率变化，实现信号增强。

3.标准化的材料修饰工艺：通过硅烷试剂羧基化、Ti2C-MXene 共价包覆、MIL-101 (Cr) 固定、EDC/NHS 羧基活化、Cyt c 适体固定五步工艺完成传感器表面功能化，并通过扫描电镜（SEM）和元素分析验证了修饰过程的成功性。

图 1. 传感器示意图，(a) 检测背景，(b) 传感器结构图，(c) Cyt c 捕获。

图2. 微纤维传感器的制备，(a) 传感器功能化的过程，(b) 裸纤维的SEM图像，(c) Ti C-MXene修饰后纤维表面的SEM图像，(d) Ti 2 Ti 2 C-MXene/MIL-101(Cr)修饰后纤维表面的SEM图像，(e) C-MXene/MIL-101(Cr)/Cyt c适配体修饰后纤维表面的SEM图像，(f) (d)的元素分析图像，(g) (e)的元素分析图像。

研究结果

实验结果表明，该传感器在各项性能指标上实现了显著突破：

1.折射率与温度性能：Ti2C-MXene/MIL-101 (Cr) 修饰后，传感器 Dip1 和 Dip2 的折射率灵敏度分别从 11339.66 nm/RIU、10116.12 nm/RIU 提升至 16819.41 nm/RIU、15255.71 nm/RIU，增幅达 48.3% 和 50.8%；温度稳定性显著提升，修饰后 Dip1 和 Dip2 的标准偏差分别降至 0.0975 nm 和 0.0944 nm。

2.Cyt c 标准溶液检测：在 0~1.32 μM Cty c 浓度范围内呈现良好线性响应，综合灵敏度达 12.598 nm/μM，检测限（LOD）低至 0.031 μM；与未修饰复合材料的传感器相比，灵敏度提升 64%，检测限降低一个数量级，响应时间仅 135 s，且在 pH 6.5~8.6 范围内输出稳定，对核黄素、ATP、血红蛋白等干扰物具有良好选择性。

3.希瓦氏菌裂解液原位检测：在 OD 0~0.5 的希瓦氏菌裂解液中，对 Cyt c 检测灵敏度达 29 nm/OD，检测限低至 OD=0.0097，同样保持 135 s 的快速响应，且稳定性良好，Dip1 和 Dip2 标准偏差分别为 0.143 nm 和 0.134 nm。

4.双参数解调与温度补偿：基于不同波长的折射率和温度差分灵敏度，构建解调矩阵实现 Cyt c 浓度和温度的双参数解耦，温度诱导的交叉灵敏度低至 8.65×10⁻⁵ RIU/℃，检测误差控制在可接受范围，有效解决了温度串扰问题。

5.存储与制备性能：传感器在低温密封条件下可稳定使用 4 天，制备一致性优异且成本低廉，虽为非可重复使用型，但仍具备实际应用价值。

图3. 涂有Ti₂C-MXene/MIL-101(Cr)的传感器的折射率(RI)和温度灵敏度测量，(a) 涂有Ti的传感器的折射率响应，(b) 涂有Ti₂C-MXene/MIL-101(Cr)的传感器的折射率灵敏度，(c) 涂有Ti₂C-MXene/MIL-101(Cr)的传感器的温度响应。

图4. 稳定性分析, (a) 不对称 SNTNS 结构的稳定性谱, (b) 不对称 SNTNS 结构的稳定性, (c) 覆盖 Ti2C-MXene/MIL-101(Cr) 的不对称 SNTNS 结构的稳定性谱, (d) 覆盖 Ti2C-MXene/MIL-101(Cr) 的不对称 SNTNS 结构的稳定性。

图 5. 原位监测结果 (a) 对希瓦氏菌裂解液的响应, (b) 希瓦氏菌裂解液波长与光密度(OD)的非线性关系, (c) 希瓦氏菌裂解液波长与光密度(OD)的线性关系, (d) 传感器在 OD = 0.3 时的响应与稳定性数据.

技术优势

相较于现有 Cyt c 检测技术和传统光纤传感器，该研究开发的新型传感器具有六大核心优势：

1.超高检测灵敏度：复合材料的协同敏化作用大幅提升了折射率响应和目标物捕获能力，检测限远低于 SPR、电化学、荧光光谱等技术，且线性响应范围适配实际腐蚀环境的 Cyt c 浓度水平；

2.无标记实时检测：基于光纤倏逝场效应和适体特异性识别，无需对目标物进行荧光、酶等标记，可实现原位、实时、在线监测，适配复杂工业环境的远程检测需求；

3.温度自补偿能力：通过非对称 MZI 结构设计和双参数解调算法，有效消除温度交叉灵敏度干扰，解决了光纤传感器在实际应用中的关键环境误差问题；

4.强抗干扰与选择性：Ti2C-MXene/MIL-101 (Cr) 的分子筛分和特异性吸附特性，结合适体的靶向识别，使传感器在复杂基质（如细菌裂解液）中仍能保持高选择性，对常见干扰物响应微弱；

5.快速响应与高稳定性：135 s 的快速响应时间适配实时监测需求，修饰后的传感器具有优异的温度稳定性和检测稳定性，标准偏差均处于低水平；

6.制备简便成本低廉：采用常规光纤熔接和溶液浸泡修饰工艺，无需昂贵设备，制备一致性好，适合规模化生产和现场应用。

结论与展望

该研究成功将Ti2C-MXene/MIL-101 (Cr) 复合功能材料与非对称光纤 MZI 结构结合，研发出的无标记光纤传感器实现了对微生物腐蚀关键标志物 Cyt c 的高灵敏、高选择性检测，不仅在灵敏度、检测限、抗干扰能力等核心性能上远超现有同类技术，还创新性地解决了温度交叉灵敏度这一行业痛点，为微生物腐蚀的早期预警提供了全新的技术手段。

同时，该传感器在细胞凋亡过程的分子动力学检测中也展现出良好的应用潜力，其无标记、原位检测的特性适配生物医学、环境监测等多个领域的生物标志物痕量检测需求。未来，研究团队可进一步优化传感器的可重复使用性和长期存储性能，拓展复合材料的修饰工艺，实现对更多微生物腐蚀标志物的多参数同时检测；此外，可结合微流控技术进一步微型化传感器，推动其在海洋工程、石油化工、生物医学等领域的工程化应用和产业化落地。该研究为光纤生物传感器的功能材料改性和结构设计提供了新思路，也为痕量生化检测和复杂环境下的在线监测技术发展奠定了重要基础。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2026.174086