基于腐蚀型光纤布喇格光栅的生物传感器

周雨萌，赵春柳，郎婷婷

（中国计量学院 光电子技术研究所，杭州310018）

基于腐蚀型光纤布喇格光栅的生物传感器

周雨萌，赵春柳*，郎婷婷

（中国计量学院 光电子技术研究所，杭州310018）

提出了一种将光纤传感技术与生物反应放大技术相结合的方案，实现了链酶亲和素浓度的检测。该方案采用硅烷偶联的方法对光纤进行表面改性，结合生物素-亲和素反应放大系统对生物浓度信号进行放大，并采用腐蚀型光纤布喇格光栅结构作为敏感元件将生物浓度信号转换为光信号进行表达。该传感器对目标物质具有特异性吸附能力，表明该传感器能准确识别链霉亲和素，在0m g/m L～1.0m g/m L浓度下灵敏度可达0.5452nm/m g/m L，能实现定量测量，在抗原抗体检测、蛋白质检测等领域有较好的应用前景。

链霉亲和素；光纤布喇格光栅；生物传感器

0 引言

光纤传感器自1962年第一次提出便引起关注，并迅速成为研究热点，在生物检测领域得到广泛应用，为生命科学的发展做出了巨大贡献。随着生物技术的发展，需要检测的物质越来越多，从最初出现的葡萄糖传感器，到现在出现的细胞、微生物、抗原抗体及癌细胞蛋白传感器，对其精度的要求也越来越高。近些年，光电技术逐渐被应用在生物传感领域，使得生化传感器得到快速发展，由于光信号对外界环境变化非常敏感，将生物反应程度通过光信号表达，可以检测生物量微小含量或浓度的变化。本文针对生物传感领域中链霉亲和素浓度检测的问题，提出了一种基于腐蚀型光纤布喇格光栅结构的生物传感器，采用表面硅烷偶联技术将生物素固定在腐蚀后的光栅栅区表面，可用于链酶亲和素浓度的检测，当链霉亲和素浓度在0mg/mL～1.0mg/mL范围内变化时，浓度测量灵敏度可达0.5452nm/mg/mL，该反应原理可以用来模拟抗原抗体的免疫反应。

1 实验装置及传感原理

1.1 实验装置

采用腐蚀型光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，FBG）进行链霉亲和素浓度检测的实验装置图如图1所示。

图1 腐蚀型FBG测量链酶亲和素实验装置

从光源发出的光信号经由三端口环形器1端口到达2端口，并经过传输光纤到达腐蚀型光纤布喇格光栅（光纤探针），经过敏感单元（光栅栅区）反射以后，反射光信号沿传输光纤返回，经过三端口光环形器2端口从3端口到达光谱分析仪。FBG放置在带有凹槽的平台上，凹槽中滴入液体时，FBG可以完全浸入液体中。后面进行光栅腐蚀和表面硅烷偶联处理时均在此平台上进行。

1.2 传感原理

光纤布喇格光栅的谐振条件为：

2 实验与结果

2.1 腐蚀FBG

我们采用化学腐蚀法对光纤布喇格光栅进行腐蚀，相比需要很长时间的采用物理研磨加工的方法，化学腐蚀法得到的结构更加均匀，成本更低。实验中我们采用氢氟酸(HF)溶液对FBG进行腐蚀。

SiO2在HF溶液中的化学反应方程式可表示为：

从式（2）、式（3）可以看出腐蚀过程中，SiO2与溶液中HF分子发生能够反应，使SiO2溶解从而使光栅变薄。

实验中，我们采用浓度为16.7%的氢氟酸溶液（溶液中氢氟酸、氟化胺和去离子水的比例为1∶2∶3）对FBG进行慢腐蚀，腐蚀过程中要保证液体灌入凹槽时栅区表面完全浸入液体中并且液体均匀接触，使其能充分与光栅表面SiO2发生反应。在腐蚀的过程中，对FBG进行显微拍照，结果如图2所示。腐蚀13.5小时后，光栅的直径从125μm降低为6.574μm，腐蚀速度约为0.15μm/min。

图2 FBG腐蚀显微拍照图

实验表明，当FBG的直径腐蚀至20μm以下时，折射率灵敏度将随着FBG包层腐蚀深度的增加而迅速上升[3]。对于腐蚀型FBG，腐蚀深度越深，折射率灵敏度越高，但随着腐蚀深度的增加，光栅直径变细，其机械结构强度将大大降低。实际试验中，我们采用腐蚀10小时的FBG，其直径大小约为45μm。

2.2 FBG生物探针的制备

利用FBG进行生物传感，对链霉亲和素的浓度进行检测，其核心是利用链霉亲和素与生物素特异性吸附的机理，我们利用表面硅烷偶联的原理将生物素固定在腐蚀后的光栅表面形成分子探针，探针将吸附被测物中的链霉亲和素，使光在光栅中的传输特性发生改变。

利用硅烷偶联的方式对光栅表面进行修饰，制作工艺简单，能形成单层自组装膜(Self-assembled monolayer,SAM)。SAM采用化学结合的方式，稳定性高，单层膜的厚度只有几个纳米却能使基质表面性能得到很大改善[4,5]。

硅烷的化学通式为RSiX3，R通常为氨基(或巯基、乙烯基、环氧基、氰基等)[6]，X代表可水解基团，它的两端具有两种不同的化学官能团R和X，其一端X能与无机材料如光纤表面的羟基（-OH）反应生成稳定的共价键，另一端R氨基可以与有机聚合物中的长分子链反应生成氢键。我们可以借助双功能交联剂即硅烷偶联剂3-APS使光栅表面硅烷化，将氨基固定在光栅表面，然后使氨基与生物敏感材料（如生物素）共价结合至光栅表面，在光栅表面形成稳定偶联物。亲和素分子有4条肽链，即有4个结合位点可以与生物素结合，能起到放大固定作用。生物素亲和素系统能极大地改善光栅表面的特性，即提高了灵敏度，且不会影响生物材料的活性[7]，是一种优良的检测方式。

检测试验中，第一步我们先进行光栅表面硅烷化，将带有氨基的硅烷偶联剂固定在光栅表面。硅烷偶联剂（3-APS）是一种常用的双功能交联剂，能把两种化学性质不同的材料 （如无机材料和有机聚合物）偶联起来，改善材料的性能。3-APS分子作为附着力促进剂，在SiO2等材料中得到广泛的使用，能在光栅SiO2表面形成稳定性极高的SAM。将光纤布喇格光栅浸入到1mg/mL的3-APS溶液中，时间为30分钟，随后取出，在烘箱中100℃烘烤60分钟，使3-APS的氨基能与光栅表面SiO2充分反应。第二步，利用共价结合的方式继续将生物素固定在光栅表面，我们使用N-生物素羟基琥珀亚胺酸酯(N-hydroxysuccinimidebiotin, NHS-Biotin)进行处理，NHS-Biotin是一种衍生物-活化生物素，能与链霉亲和素的4条肽链产生强烈的吸附作用。将第一步处理后的光栅浸入到1mg/mL的NHS-Biotin中充分反应约30分钟，随后取出并在100℃烘箱中烘烤60分钟使生物素固定在光栅表面形成分子探针。

2.3 结果分析

检测链酶亲和素时，将液体滴入凹槽，当光经过腐蚀后的栅区时，由于栅区表面携带的生物素分子只对链霉亲和素分子起选择性特异吸附作用，从而改变栅区外界环境。根据式（1），由于纤芯中传播的基模有效折射率对外界环境折射率变化很敏感，会使基模的有效折射率发生改变，最终导致FBG的反射光中心波长发生移动。对于不同浓度的链霉亲和素溶液，栅区表面的生物素分子所吸收的链霉亲和素分子数量不同，其表面附近的折射率变化也不同，从而使光谱分析仪接收到的反射光中心波长漂移量不同，最终将链霉亲和素的浓度信息在波长的漂移中得到体现。采用0.1mg/mL、0.5mg/mL、1mg/mL三种不同浓度的链酶亲和素溶液进行探测，结果如图3所示。

图3 腐蚀型FBG测量链酶亲和素实验光谱图

我们使用切趾光纤布喇格光栅消除光谱中的旁瓣。腐蚀后的光栅空载时反射光谱谐振峰的中心波长为1535.14nm，当进行生物素硅烷偶联后，由于表面折射率变化，中心波长漂移到1535.38nm，测量三种不同浓度值得链霉亲和素溶液时，由于链霉亲和素与生物素的结合情况不同，折射率变化也不同，链霉亲和素浓度越大，折射率变化更大，中心波长漂移也更大。

图4为布喇格波长与链霉亲和素浓度的关系，当链霉亲和素浓度为 0、0.11mg/mL、0.51mg/mL和1mg/mL时，三者对应的中心波长分别为1535.62nm、1535.8nm和1536.1nm，灵敏度为0.5361nm/mg/mL。在实验中，为了保证结构的稳定，只将FBG腐蚀到45μm。根据文献报道，若将FBG继续腐蚀至3.4μm，灵敏度可以达到1394nm/RIU[8]。但光栅的直径越小，越容易折断，作为探针是极为不利的。所以，在实际使用中，需要合理控制光栅的腐蚀时间，使光栅灵敏度和结构强度满足实际要求。同时，我们也可以通过提高光谱仪的分辨精度来提高检测的灵敏度。

图4 布喇格波长与链霉亲和素浓度的关系

3 结束语

本文中我们对光栅SiO2进行表面处理，使其对能对链霉亲和素产生吸附，利用腐蚀型光纤光栅进行链酶亲和素的浓度检测。相比常规的生物传感器，采用光栅结构的传感器无毒无害，成本低廉，精度高，可以作为探针进行在线检测。实际应用中，采用不同的修饰方式对光栅进行修饰，可以使光栅表面带上具有不同吸附能力的功能膜，能对不同的生物物质产生吸附作用。SiO2表面改性技术已经很成熟，利用合适的表面修饰技术，结合灵敏度更高的结构，未来可以用于检测抗原抗体、癌细胞等物质，能极大地降低生物检测的成本，有着广阔的市场前景。

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[8]NCLIN S,RAVOO B J,REINHOUDT D N.Engineering silicon oxide surfaces using self-assembled monolayers.[J].Angewandte Chemie,2005, 44(39):6282-6304.

Bio-sensor based on etched fiber Bragg grating

ZHOU Yu-meng,ZHAO Chun-liu,LANG Ting-ting
(Institute of Optoelectronic Technology,China Jiliang University,Hangzhou 310018,China)

A streptavidin concentration sensor by the combination of the biotechnology and optical fiber sensing technology is proposed in this paper.The surfacecharacteristic of optical fiber is changed by silane coupling agents.A novel biotin-advin conjugation fiber probe is synthesized and employed in the detection of streptavidin.The fiber probe is made by etched fiber Bragg grating to be a sensitive part.The concentration of streptavidin can be monitored by the change of spectrum.The initial experiments demonstrate that the biotin have excellent absorbency to streptavidin,which means it is feasible to measure the concentration of streptavidin by this fiber sensor,showing a good application prospect in antigen and antibody detection or cancer cells examination.

streptavidin,fiber Bragg grating,bio-sensor

TP212

A

1002-5561（2016）02-0043-03

10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2016.02.013

2015-11-06。

国家自然科学基金（61108058）资助；浙江省国际科技合作专项项目（2013C24018）资助。

周雨萌（1990-），男，硕士研究生，主要从事光纤生物传感方面的研究。

赵春柳（1973-），女，教授，博士，主要研究方向为光纤传感技术（Email:zhchunliu@hotmail.com）。