从实验室到餐桌：新型传感器如何守护你的健康？

细菌感染是全球致病和致死的主要原因之一。即使在抗生素广泛可用的情况下，细菌感染的误诊或延迟诊断仍可能导致严重的健康风险。因此，开发快速、灵敏的细菌检测技术对于医学、食品安全、公共卫生和安全等领域至关重要。传统的SPR传感器虽然已被广泛研究，但在检测限和灵敏度方面仍存在不足。

近期，研究人员开发了一种基于单模光纤（SMF）表面等离子体共振（SPR）的生物传感器，通过固定溴化铊（TIBr）来检测多种细菌细胞。该传感器在临床和食品相关样本中展示了卓越的检测性能，为快速、灵敏的细菌检测提供了一种新的解决方案。

研究结果

图 1 用于检测多种细菌细胞的传感器结构示意图

该研究提出了一种基于单模光纤（SMF）的表面等离子体共振（SPR）生物传感器，其结构如图1所示。传感器采用ZBLAN作为纤芯，NaF作为包层，纤芯表面依次沉积银（Ag）层和溴化铊（TlBr）层，最外层为待测分析物（如细菌细胞）。

当光在光纤中传播时，由于纤芯和包层的折射率差异，光会在纤芯内发生全反射。银层的存在使得在特定条件下，入射光与银层中的自由电子相互作用，激发表面等离子体共振（SPR）。此时，SPR的共振波长对周围介质的折射率非常敏感。当细菌细胞等分析物吸附在传感器表面时，会引起局部折射率的变化，从而导致共振波长的偏移。通过检测这一波长偏移，即可实现对细菌细胞的高灵敏度检测。

图 2 传感器灵敏度和品质因数随波长和厚度的变化

图2展示了不同银层厚度（40-80nm）下，传感器在不同波长（850-1300nm）范围内的灵敏度和品质因数（FOM）变化。结果表明，灵敏度随波长增加而增加，在银层厚度为80nm时，灵敏度达到最大值9416.7nm/RIU，FOM为47.559RIU⁻¹。

图 3 不同结构传感器的传输功率随波长变化曲线

图3对比了传统传感器（仅Ag层）和新型传感器（Ag-TlBr层）的归一化功率传输曲线。新型传感器在TlBr层厚度为20nm时，对M.lysodeikticus 4698的灵敏度达到9375nm/RIU，分别是传统传感器的1.60倍。虽然FOM因阻尼效应略有下降，但整体性能仍显著优于传统传感器。

研究人员还测试了该传感器在不同细菌细胞（包括A.crystallopoietes、B.megaterium KM和M.lysodeikticus 4698）中的性能。结果显示，传感器对M.lysodeikticus 4698细菌的灵敏度最高，达到9375nm/RIU，FOM为73.819RIU⁻¹。此外，传感器的检测限（LOD）也达到了1.0667×10⁻⁷RIU，表明其具有极高的检测灵敏度。

图 4 传感器的制备过程及其工作流程

如图5a，制备传感器时，先用热蒸发法在光纤包层上沉积银层。在室温、真空度2×10⁻⁴Pa条件下，以银丝为源，控制沉积速率0.10Å/s，通过石英晶体微天平监测厚度，确保银层达到80nm。

接着，用喷雾法在银层上制备溴化铊（TIBr）层。将0.05g溴化铊溶于去离子水，加热至70℃搅拌均匀并过滤。以氮气为载气，将溶液喷涂在300℃的基底上，形成20nm厚的均匀TIBr层。

最后，选用ZBLAN纤芯和NaF包层的光纤，通过切割和蚀刻去除1cm包层，露出纤芯，依次沉积银层和TIBr层，完成传感器探头的组装。

而传感器的实验工作流程如图5b所示。首先，将制备好的Ag-TlBr传感器探头安装在流动池中。然后，将含有不同细菌细胞的样品溶液注入流动池，流经传感器表面。同时，使用光源和光谱仪实时监测传感器的反射光谱，记录共振波长的变化。最后，通过数据分析和处理，确定细菌细胞的种类和浓度。

该研究提出的基于SMF的SPR传感器利用溴化铊固定化技术，显著提高了对多种细菌细胞的检测灵敏度和FOM。传感器在优化条件下对M.lysodeikticus 4698的灵敏度达到9375nm/RIU，FOM为85.069RIU⁻¹，性能优于现有文献报道的SPR传感器。该传感器在食品安全、医疗诊断和环境监测等领域具有广阔的应用前景。未来研究将进一步优化传感器的长期稳定性、可重复性和便携性，以推动其实际应用。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.microc.2024.112312