兰大团队研发新型光纤生物传感器 实现幽门螺杆菌超灵敏快速检测

研究背景

胃癌是全球第五大常见癌症、第三大癌症相关死亡原因，中国更是胃癌高发地区，2020 年全球新增胃癌病例中 40% 出现在中国。幽门螺杆菌作为 I 类致癌物，是诱发胃癌的首要危险因素，其感染会使胃癌发病风险提升 4-6 倍，还会引发慢性胃炎、黏膜萎缩等一系列胃部病变，最终可能发展为胃腺癌。

目前临床常用的幽门螺杆菌检测方法包括尿素呼气试验、快速尿素酶试验、细菌培养、酶联免疫吸附试验等，但这些方法普遍存在检测灵敏度不足、诊断流程繁琐、成本较高、适用人群受限等问题，难以满足临床对幽门螺杆菌早期、精准检测的需求。而基于表面等离子体共振的光纤生物传感技术因实时检测、高灵敏度、抗电磁干扰等优势成为痕量检测的重要手段，传统金属膜光纤 SPR 传感器却因灵敏度较低难以满足医疗检测的严苛要求，亟需开发新型敏感层材料提升其性能。

 研究内容

为解决上述技术难题，研究团队设计并合成了自组装 3D/0D 准核壳结构材料 AuNPs@ZIF-90-COOH（简称 Au@ZIF-C），该材料通过在金纳米颗粒（AuNPs）上原位自组装 ZIF-90，并经过氧化氢氧化引入羧基制得，整合了 ZIFs 材料大比表面积、AuNPs 优异光电性能以及良好的生物相容性，成为理想的 SPR 界面敏感层材料。

团队将 Au@ZIF-C 通过静电自组装修饰在光纤金膜表面，构建了反射型抗体修饰光纤生物传感器。该传感器的核心作用机制为双重信号增强：一是 Au@ZIF-C 中 AuNPs 激发的局域表面等离子体共振（LSPR）与金膜的 SPR 产生相互耦合，显著提升了传感界面的电场强度；二是 Au@ZIF-C 的大比表面积带来高抗体负载能力，大幅放大了传感界面的折射率变化，最终实现 SPR 光谱信号的显著增强。

同时，研究团队系统优化了传感器制备的关键参数，确定了半胱胺的最佳浓度为 4 mg/mL、Au@ZIF-C 的最佳浸泡时间为 1.5 小时、幽门螺杆菌抗体的最佳浓度为 3.372×10⁻² ng/mL，为传感器的性能发挥奠定了基础。

图 1. 光纤生物传感器结构及传感原理示意图。

图2. Au@ZIF-C的制备方案及结构表征。(A) Au@ZIF-C合成路径示意图。代表性示意图（非按比例绘制）。(B) AuNPs的TEM图像。(C) ZIF-90的SEM图像和(D) Au@ZIF的SEM图像。(E) Au@ZIF的元素分布图。(F) AuNPs、ZIF-90和Au@ZIF的紫外吸收光谱。(G) ZIF-90和Au@ZIF的漫反射光谱以及(H) XRD图谱。(I) ZIF-90、ZIF-C、Au@ZIF和Au@ZIF-C的FTIR光谱。(J) ZIF-90和Au@ZIF的氮吸附-脱附等温线。

研究结果

材料表征结果证实，Au@ZIF-C 成功实现了 AuNPs 在 ZIF-90 框架内的物理封装，其比表面积达 1114.1 m²/g，羧基的引入也得到了红外光谱、X 射线光电子能谱等技术的验证。COMSOL 仿真显示，Au@ZIF-C 修饰后的光纤传感界面最大电场强度达 6.15×10⁶ V/m，远高于裸金膜探针（1.04×10⁵ V/m）和 ZIF-C 修饰探针（1.17×10⁵ V/m）。

传感器性能测试表明，Au@ZIF-C 修饰的光纤 SPR 传感器折射率灵敏度达 2734.51 nm/RIU，远优于裸金膜探针（1996.22 nm/RIU）和 ZIF-C 修饰探针（2025.21 nm/RIU），品质因数和检测精度也得到显著提升。在幽门螺杆菌检测中，该传感器在 10¹~10⁷ CFU/mL 浓度范围内呈现良好线性关系，线性方程为 Y=1.465 Lg Cₕ.ₚᵧₗₒᵣᵢ -1.734，相关系数 R²=0.998，检测灵敏度达 1.465 nm・(lg CFU/mL)⁻¹，检测限低至 1.37 CFU/mL，较裸金膜探针（4.08×10⁴ CFU/mL）和 ZIF-C 修饰探针（18.92 CFU/mL）实现了数量级的突破。

此外，该传感器稳定性良好，-20℃储存前四天检测性能稳定，检测过程中共振波长无明显漂移；响应速度快，对幽门螺杆菌的检测响应时间仅 16 秒。在临床胃液样本分析中，传感器对幽门螺杆菌阳性和阴性样本的区分度显著，受试者工作特征曲线（ROC）的曲线下面积（AUC）达 0.97，诊断准确性优异；同时，Au@ZIF-C 对胃黏膜上皮细胞的细胞毒性低，展现出良好的生物相容性。

图3. Au@ZIF的XPS光谱。(A) Au@ZIF的XPS综览光谱。(B) C 1s, (C) O 1s, (D) N 1s, (E) Zn 2p和(F) Au 4f的Au@ZIF高分辨XPS光谱。

图4. 光纤表面等离子体共振（SPR）传感器的性能测试。（A）Au@ZIF-C 增敏光纤传感探头合成示意图。（B）带有 Au@ZIF-C 的传感器的 SPR 光谱。（C）金膜、ZIF-C 和 Au@ZIF-C 的峰移（Δλ）与折射率（RI）关系。（D）三种光纤传感探头的 RIS 比较，（D）FWHM，（E）FOM，（E）D.A.。（F）半胱氨乙醇浓度对 Au@ZIF-C RIS 的影响。（G）Au@ZIF-C 浸泡时间对 RIS 的影响。（H）通过 COMSOL 分析 Au@ZIF-C 的界面电场。

图5. 幽门螺杆菌光纤生物传感器的性能测试。(A) 幽门螺杆菌浓度范围为10¹–10⁷ CFU/mL的SPR光谱。(B) 空白金膜、ZIF-C和Au@ZIF-C SPR传感器用于检测幽门螺杆菌的线性拟合图。(C) 幽门螺杆菌抗体浓度对传感器灵敏度的影响。(D) 光纤SPR生物传感器的长期稳定性。(E) 光纤SPR生物传感器的稳定性。(F) 幽门螺杆菌浓度为10⁷ CFU/mL时光纤SPR生物传感器的响应时间。

图6. 临床样本检测与生物毒性实验。 (A) 干扰物质与检测物质的信号。 (B) 检测来自健康个体和幽门螺杆菌阳性患者的胃液样本。 (C) 检测方法的ROC曲线。 (D) Au@ZIF-C的生物毒性实验。 (E) 与Au@ZIF-C共培养的胃上皮黏膜细胞的共聚焦荧光显微镜图像。

技术优势

1.超灵敏检测：检测限低至 1.37 CFU/mL，灵敏度较传统光纤 SPR 传感器提升两个数量级，可实现幽门螺杆菌的痕量检测，满足早期诊断需求；

2.快速响应：检测响应时间仅 16 秒，大幅缩短了诊断流程，提升了临床检测效率；

3.高特异性与抗污性：对胃液中的葡萄糖氧化酶、抗坏血酸、牛血清白蛋白等干扰物具有良好的抗干扰能力，且材料弱表面电荷减少了污染物的静电吸附，保证了检测结果的准确性；

4.良好的生物相容性：Au@ZIF-C 对胃黏膜上皮细胞低毒，为后续体内检测应用提供了可能；

5.制备工艺可优化：通过调控关键制备参数，可实现传感器性能的精准调控，具备规模化制备的潜力。

结论与展望

该研究成功开发了基于 Au@ZIF-C 准核壳材料的 SPR 光纤生物传感器，首次将 3D/0D 准核壳材料应用于光纤生物传感器的敏感层修饰，通过 LSPR 与 SPR 的耦合效应和高抗体负载能力的双重作用，实现了幽门螺杆菌的超灵敏、快速检测。该传感器不仅在性能上远超现有同类检测技术，还在胃液临床样本中展现出高诊断准确性，为幽门螺杆菌的临床早期诊断提供了全新的技术手段。

同时，该研究为高性能光纤生物传感器的设计提供了新的思路，即通过功能化准核壳材料的自组装修饰优化等离子体电场、提升生物分子负载能力，这一策略可拓展至其他微生物、生物标志物的痕量检测领域。未来，研究团队可进一步优化传感器的便携性和现场检测能力，推动其向临床便携式检测设备转化；同时，依托 Au@ZIF-C 的良好生物相容性，开展体内检测相关研究，为胃肠道疾病的精准诊断和实时监测提供更多技术支撑。该研究成果也为材料科学与生物传感技术的交叉融合提供了新的范例，对微生物诊断领域的技术发展具有重要的推动作用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2026.118375