关键词:
光纤生物传感器
CDV病毒
MI干涉
MZI干涉
LBL组装
AuNPs
摘要:
犬瘟热病毒(CDV)是一种犬科和鼬科动物致命的麻疹病毒,一般通过空气和飞沫传播,具有极高的传染性。近年来,随着人类和伴侣动物对野生动物栖息地的侵占以及野生动物日益城市化,种间传播的可能性增加,在非人灵长类动物中已经观察到CDV跨物种感染。特别是在自然感染的非犬类宿主恒河猴、食蟹猴繁殖群落中也发现了CDV,暴发的疫情引起了人们对人畜共患潜在威胁的担忧。
光纤传感器具有高灵敏、快响应、无标记检测的特点,已经在生物医学检测方面有很多相关研究。本文基于马赫-曾德尔干涉(MZI)原理和迈克尔逊干涉(MI)原理设计并制作了三种CDV光纤生物传感器,用于对CDV抗原的痕量检测,以实现对病毒的早期发现。本文的主要研究工作如下:
1、提出了一种基于游标效应(Vernier)的级联MZI光纤生物传感器。该传感器由两个完全相同的单模(SMF)-错位单模(DSMF)-SMF的MZI结构级联而成,模拟了不同折射率(RI)下MZI传感器的响应光谱,仿真结果表明级联MZI的RI灵敏度约为单个MZI的14.4倍。对传感器表面进行功能化处理,使CDV抗体分子修饰在光纤表面,以实现对CDV抗原的特异性检测。通过原子力显微镜(AFM)表征了CDV抗体的成功修饰,以及抗体与抗原的特异性结合。实验结果表明,级联式MZI的灵敏度在Vernier效应下放大了近12倍,这与之前的仿真结果十分接近,验证了通过Vernier效应可以有效提高CDV光纤传感器的灵敏度。实验得到传感器灵敏度和检测限分别为0.4786d B/(pg/ml)和0.1687pg/ml,响应时间为25min,同时该传感器还具有良好的选择性和稳定性。
2、考虑到实际应用中传感器所需具备的可重复性,设计并制作了一种SMF-多模(MMF)-三芯(TCF)结构的MI探针式结构,将聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA)和聚苯乙烯磺酸纳(PSS)通过层层自组装(LBL)技术修饰在传感区域表面,通过静电力将CDV抗体分子修饰到TCF表面。为探究CDV抗原抗体特异性结合是否在传感器的响应过程中起主导作用,制备了两根完全相同的SMF-MMF-TCF光纤探针,并分别进行表面修饰。一根用(PDDA/PSS)/CDV抗体修饰,标记为“MI1”;另一根仅用PDDA/PSS修饰,标记为“MI2”,实验结果表明干涉光谱强度的变化主要是由抗原抗体的特异性结合引起。测试得到该传感器的灵敏度和检测限分别为1.1776d B/(pg/ml)和0.1236pg/ml。使用解离剂对传感器进行抗原抗体的解离,结果显示,在第2、3个循环后光纤传感器的重复率分别为91.04%和77.90%,表明传感器具有一定的可重复性。通过对临床样本的检测,表明传感器具有实际应用的潜力,同时该传感器还具有良好的选择性和稳定性。
3、为进一步提高灵敏度,利用贵金属良好的生物相容性,结合光纤传感技术提出了一种金纳米颗粒(Au NPs)修饰的SMF-TCF-无芯(NCF)结构的光纤生物传感探针。通过透射电子显微镜(TEM)表征验证了Au NPs的合成成功。分别制作了Au NPs修饰的和不含Au NPs的光纤CDV传感器,测试其对CDV抗原的响应。结果表明,Au NPs修饰的光纤传感器性能提高了约7.36倍,对CDV抗原的最低检测浓度达到飞克(fg)级别。实验得到该传感器的灵敏度和检测限分别为2.2864d B/(pg/ml)和0.1299pg/ml。同时对临床样本进行检测,实验结果显示所制备的CDV光纤传感器可以识别CDV阳性样本,证明该传感器具有潜在的应用价值,同时该传感器还具有良好的选择性和稳定性。