基于双光学频率梳的生物传感器实现生物分子检测

生物分子的快速、高灵敏度检测对于感染性病原体、生物标志物和污染物的生物传感非常重要。

据麦姆斯咨询报道，近日，由日本德岛大学（Tokushima University）、东洋大学（Toyo University）和高知工科大学（Kochi University of Technology）组成的科研团队在Scientific Reports期刊上发表了以“Rapid, high-sensitivity detection of biomolecules using dual-comb biosensing”为主题的论文。该论文共同第一作者为Shogo Miyamura和Ryo Oe，通讯作者为Taira Kajisa和Takeshi Yasui。

这项研究旨在通过提高基于光学频率梳（OFC）的光学生物传感性能，实现SARS-CoV-2核衣壳蛋白抗原的快速灵敏检测。抗原-抗体的相互作用产生的病毒浓度相关的频谱偏移（spectrum shift）通过OFC中光学与射频（RF）间的频率转换转化为光子的射频偏移（RF shift），有助于通过成熟的电频率测量来实现快速灵敏地检测。此外，采用双梳结构的主动-虚拟（active-dummy）温度漂移（temperature-drift）补偿，能够从由温度扰动引起的大而可变的背景信号中提取基于病毒浓度信号的微弱变化。双梳生物传感性能的实现有望大大提升生物传感器对病毒、生物标志物、环境激素等因素的适用性。

在这项研究中，研究人员尝试设计一种将“光子到射频的转换”与“抗原-抗体相互作用”相结合的OFC生物传感器。生物传感OFC主要通过三个步骤实现：（1）抗体修饰的传感器表面上的抗原-抗体相互作用；（2）腔内多模干涉（MMI）光纤传感器提供的OFC的基于折射率（RI-dependent）的频谱偏移；（3）通过光纤腔的波长色散进行光子到射频的转换，如图1a所示。图1b为具有抗体表面修饰的腔内MMI光纤传感器示意图。

图1 生物传感OFC的工作原理

单梳结构的温度漂移

研究人员首先评估了单梳传感OFC的frep对腔温的依赖性，因为对光纤OFC腔的温度扰动会通过nL的热膨胀或收缩而产生波动frep。为此，研究人员测量了在不受控制的腔温下，OFC传感单梳结构frep的时间漂移，如图2a所示。

图2 具有温度漂移的纯水单梳RI传感的基本性能

双梳结构对温度漂移的主动-虚拟补偿

因此，为了进一步减少温度漂移，研究人员采用双梳结构对温度漂移进行主动-虚拟补偿。采用频率间隔为frep1的主动传感OFC与频率间隔为frep2的虚拟传感OFC构成的双梳结构来补偿温度漂移。图3a为双梳结构示意图，其中一对光纤OFC腔被置于由绝缘材料覆盖的铝盒中，使二者受到的温度漂移影响相同。图3b-d分别为纯水双梳RI传感、甘油溶液双梳RI传感和SARS-CoV-2 N蛋白抗原双梳生物传感的MMI和样品细胞示意图。具有温度漂移的纯水双梳RI传感的基本性能如图4所示。

图3 双梳RI传感与生物传感实验装置

图4 具有温度漂移的纯水双梳RI传感的基本性能

接下来，研究人员测试了与参考样品不同的液体样品的RI传感主动-虚拟温度补偿。对于RI传感，主动和虚拟传感OFC在MMI中没有表面修饰。研究人员使用由不同比例的甘油与纯水组成的甘油溶液（对应不同的RI），作为主动传感OFC的目标样品，测试结果如图5所示。

图5 甘油溶液的无温度漂移的双梳RI传感

SARS-CoV-2 N蛋白抗原的快速检测

通过对腔内MMI光纤传感器进行抗体修饰，可以构建用于通过抗体-抗原反应检测目标抗原的光子射频生物传感器，因为基于RI的frep偏移可转化为基于抗原浓度的frep偏移（如图1a）。研究人员证实了在上述高精度RI传感中使用双梳结构实现主动-虚拟补偿的有效性。由此提高的RI精度涵盖了由传感器表面抗原-抗体相互作用所期望的有效RI变化，因此这些双梳传感OFC可应用于快速、高灵敏度的病毒/病原体及生物分子检测。实验结果如图6所示，通过这种方式，研究人员证明了在此浓度范围的快速检测SARS-CoV-2 N蛋白抗原的潜力。

图6 针对SARS-CoV-2 N蛋白抗原的快速、高灵敏度双梳生物传感

综上所述，这项研究已经证明了双梳生物传感可以快速、高灵敏度地检测生物分子。这是OFC本身作为生物传感器的首次应用。该OFC集成了光子-射频转换、腔内传感器和主动-虚拟双梳温度补偿，能够在10分钟的测量时间内检测出检出限（LOD）为37 aM的SARS-CoV-2 N蛋白抗原。当前新冠肺炎（COVID-19）大流行有望在不久的将来逐渐减弱。然而，人类总是面临着新的病毒再次出现的传染风险。由于双梳生物传感技术可以通过抗原抗体的反应或其他分子的识别来检测病毒，因此将其作为应对未知传染病的前瞻性措施具有重要意义。双梳生物传感同时实现了高灵敏度和快速测量，有望大大增强了生物传感器对病毒、生物标志物、环境激素等因素的适用性。

这项研究获得了日本学术振兴会（22H00303）、日本医疗研究开发机构（20he0822006j00）、日本科学技术振兴机构（JPMJMS2025）和日本内阁府的资助和支持。

审核编辑：刘清