CN108613950A - 增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法 - Google Patents

增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法，该装置包括锥形微纳光纤、石墨烯界面和DNA适配体；锥形微纳光纤的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤与单模光纤熔接构成光纤传感探针；石墨烯界面为银纳米颗粒修饰的石墨烯界面，且石墨烯界面在锥形微纳光纤侧面上组装成单层膜；DNA适配体通过非共价键作用固定在石墨烯界面的表面；光纤传感探针在DNA适配体固定后浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞色素c分子与DNA适配体的特异性结合所引起的适配体构象变化进行检测。本发明可实现人体内细胞色素c的胞外原位测量，避免对细胞的侵入式伤害和毒性。

Description

增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法
技术领域
本发明涉及一种光纤传感装置，尤其是一种增敏型细胞色素c光纤传感装置及方法，属于生物医学光传感技术设计领域。
背景技术
细胞色素c，作为一种多功能酶，是一种重要的电子传递体。在细胞凋亡过程中，细胞色素c从线粒体释放，然后在细胞破裂时从细胞释放出来，它的释放是细胞程序性死亡-凋亡的一个重要信号。在临床疾病诊断中，一旦由心衰、DNA损伤、细胞骨架破坏或外来细胞侵入引起病理状态，线粒体中的细胞色素c可通过损伤线粒体的通透性释放到血液中。因此，细胞色素c的监测不仅为细胞凋亡提供生物标志，而且对细胞水平了解某些疾病具有重要意义。
实验室现有的检测细胞周期c释放的技术有流式细胞术、免疫印迹、酶联免疫吸附试验(ELISA)、高效液相色谱法(HPLC)和分光光度法等。这些方法大多数中最低检测限(LOD)仅为10-12M，不足以原位追踪凋亡的发生，且需要昂贵、大型的仪器和繁复的操作，因此，开发操作简单、成本低、具有高灵敏度和低检测极限的细胞色素c分子传感器具有重要作用。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述现有技术的缺陷，提供一种增敏型细胞色素c光纤传感装置，该装置在微纳光纤干涉仪表面修饰银-石墨烯界面，作为倏逝波增强的有效载体，再在界面上修饰生物敏感膜作为特异性检测的有效载体，并通过波长解调方法，不仅大大降低了成本，提高了光纤传感灵敏度，而且利用光纤传感探针体积小的特点，可实现细胞凋亡过程的原位监测。
本发明的另一目的在于提供一种增敏型细胞色素c光纤传感方法。
本发明的目的可以通过采取如下技术方案达到：
增敏型细胞色素c光纤传感装置，包括锥形微纳光纤、石墨烯界面和DNA适配体；所述锥形微纳光纤的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤与单模光纤熔接构成光纤传感探针；所述石墨烯界面为银纳米颗粒修饰的石墨烯界面，且石墨烯界面在锥形微纳光纤侧面上组装成单层膜；所述DNA适配体通过非共价键作用固定在石墨烯界面的表面；所述光纤传感探针在DNA适配体固定后浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞色素c分子与DNA适配体的特异性结合所引起的DNA适配体构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
进一步的，所述锥形微纳光纤通过将光敏光纤在火焰上拉制而成。
进一步的，所述锥形微纳光纤的直径为10～11微米。
进一步的，所述光源为1500～1600nm波段的宽带光。
本发明的另一目的可以通过采取如下技术方案达到：
增敏型细胞色素c光纤传感方法，将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；将银纳米颗粒修饰的石墨烯界面在锥形微纳光纤侧面上组装成单层膜，通过非共价键作用将DNA适配体固定在石墨烯界面的表面；在DNA适配体固定后，将光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞凋亡过程中细胞色素c分子与DNA适配体的特异性结合所引起的DNA适配体构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
进一步的，所述方法具体包括以下步骤：
S1、将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；
S2、银纳米颗粒修饰的石墨烯界面于去离子水中形成悬浮液；使锥形微纳光纤表面产生正电荷，将表面带有正电荷的锥形微纳光纤浸泡于悬浮液中，提拉干燥形成银-石墨烯界面修饰的锥形微纳光纤；
S3、将已修饰银-石墨烯界面的光纤传感探针浸入含有DNA适配体的溶液中，利用单链DNA与石墨烯界面之间的π-π相互作用，从而使DNA适配体以非共价键形式固定在石墨烯界面的表面，形成了可用于与多细胞色素c分子分子特异性结合、同时放大细胞色素c分子引起的折射率变化的生物敏感膜；
S4、将固定DNA适配体的光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，经过锥形微纳光纤，激发干涉光，并在锥形微纳光纤侧面上形成倏逝波；
S5、随着光纤传感探针的银-石墨烯界面固定的DNA适配体与培养液中细胞凋亡过程释放的细胞色素c分子发生特异性结合，引起DNA适配体的构象变化，锥形微纳光纤侧面上的倏逝波对外界环境变化敏感，使得在光纤干涉谱中倏逝波峰位置发生变化，根据干涉峰的位置变化随时间的响应检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
进一步的，步骤S2中，所述使锥形微纳光纤表面产生正电荷，具体为：
将锥形微纳光纤浸泡于食人鱼溶液，使锥形微纳光纤的表面产生羟基，再浸泡于硅烷偶联剂，使锥形微纳光纤表面产生正电荷。
进一步的，步骤S5中，所述干涉峰的波长与细胞色素c分子的浓度之间的关系如下：
Δλ＝0.583c+9.89
其中，Δλ为干涉峰的波长，c为细胞色素c分子的浓度。
进一步的，所述所述锥形微纳光纤的直径为10～11微米。
进一步的，所述光源为1500～1600nm波段的宽带光。
本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
1、本发明将锥形微纳光纤与单模光纤熔接形成光纤传感探针，并将银纳米颗粒修饰的石墨烯界面在锥形微纳光纤的表面上组装成单层膜，通过非共价键作用将DNA适配体固定在石墨烯界面的表面，使DNA适配体形成了生物敏感膜，修饰在光纤传感探针上的DNA适配体会与培养液的细胞群中的细胞色素c分子发生特异性结合，由于银纳米颗粒修饰的石墨烯界面与锥形微纳光纤侧面的倏逝波重合，激发了石墨烯界面银纳米颗粒的电磁场共振，从而增强锥形微纳光纤侧面的倏逝波，实现了对光纤传感灵敏度的增强作用，因此可对细胞凋亡初期细胞外微量的细胞色素c分子进行监测，极限检测精度达到6.82×10-17M，而且通过波长解调方法，检测过程中不仅对检测样品免标记，同时具有简便、快速等优点。
2、本发明与传统的检测细胞色素c分子方法(流式细胞术、免疫印迹、酶联免疫吸附试验(ELISA)、高效液相色谱法(HPLC)和分光光度法等)相比，灵敏度高、检测极限低、器件小巧灵活，省去了大型、昂贵的仪器和繁复的提纯、浓缩、标记等操作，可实现对细胞色素c分子的原位特异性检测，排除血清中其它成分的干扰。
3、本发明采用了光纤传感探针，与传统的电化学传感器相比，具有抗电磁辐射的优势，因此可实现细胞色素c分子的在体监测。
4、本发明利用锥形微纳光纤侧面石墨烯界面上倏逝波对外界环境变化敏感，因此在光纤干涉谱中干涉峰位置会发生变化，通过观察光纤倏逝波干涉峰位置变化获得细胞色素c分子的浓度信息，波长变化的灵敏度高达大约0.583nm/log M。
6、本发明与目前细胞内细胞色素c分子检测方式相比，利用锥形微纳光纤体积小、光纤传感探针与信号传输线集成与一根光纤、灵敏度高的特点，可实现人体内细胞色素c分子的胞外原位测量，避免对细胞的侵入式伤害和毒性，极大提高检测测量数据的准确性与临床价值。
附图说明
图1为本发明的增敏型细胞色素c分子光纤传感原理图。
图2为本发明的银-石墨烯界面在光纤表面的位置及其对表面倏逝波增强的示意图。
图3为本发明的光纤传感探针浸入含有细胞色素c分子的培养液中时表面倏逝波干涉峰某一模式的波长随浓度变化图。
图4为本发明的光纤传感探针浸入含有细胞色素c分子的培养液中时不触发细胞凋亡时干涉峰的波长变化和触发细胞凋亡过程的干涉峰的波长变化的对比图。
其中，1-锥形微纳光纤，2-石墨烯界面，3-DNA适配体，4-光源，5-细胞色素c分子。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1：
光纤传感技术以百微米尺度的光纤物理媒介，以光波为信息载体，具有成本廉价、结构小巧、灵敏度高、可远程监测、耐腐蚀、生物兼容性强等优点，成为近些年来发展最为迅速的生物传感技术之一。在光纤生物传感研究的相关报道中，高性能光纤干涉仪成为研究热点。最具代表性的就是近些年发展起来的锥形微纳光纤干涉仪传感器，此类光纤传感器除了兼具常规光纤传感器特点之外，还可利用其激发的对周围环境敏感的倏逝波模式，不仅大大丰富了其检测对象，还提高了测量精度。在生物医学检测领域中具有非常广阔的应用前景。
如图1所示，本实施例提供了一种增敏型细胞色素c光纤传感装置，该装置包括锥形微纳光纤1、石墨烯界面2和DNA适配体3；锥形微纳光纤1具有一个均匀区以及位于均匀区两端的过渡区，锥形微纳光纤1的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤1与单模光纤熔接构成光纤传感探针；石墨烯界面2为银纳米颗粒修饰的石墨烯界面，且石墨烯界面2在锥形微纳光纤1侧面上组装成单层膜；DNA适配体3通过非共价键作用固定在石墨烯界面2的表面，具体地，利用单链DNA与石墨烯界面之间的π-π相互作用，从而使DNA适配体以非共价键形式固定在石墨烯界面的表面。
本实施例的增敏型细胞色素c光纤传感装置工作原理为：光纤传感探针在DNA适配体3固定后浸入含有细胞的培养液中，并将光源4输入到锥形微纳光纤1中，光源4经过锥形微纳光纤1形成干涉波，利用锥形微纳光纤1侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞色素c分子5与DNA适配体3的特异性结合所引起的DNA适配体3构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子5的浓度。
本实施例中，所述锥形微纳光纤通过将光敏光纤在火焰上拉制而成，优选地，锥形微纳光纤的直径为10.5微米，可以理解的是锥形微纳光纤的直径还可以为10微米、11微米等；所述光源采用宽带光，优选地，宽带光的波段为1500～1600nm波段。
实施例2：
如图1所示，本实施例提供了一种增敏型细胞色素c光纤传感方法，该方法包括：将光敏光纤在火焰上拉制成直径10.5微米的锥形微纳光纤1，将锥形微纳光纤1与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；将银纳米颗粒修饰的石墨烯界面2在锥形微纳光纤1侧面上组装成单层膜，通过非共价键作用将DNA适配体3固定在石墨烯界面2的表面；在DNA适配体3固定后，将光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将光源4输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤1侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞凋亡过程中细胞色素c分子与DNA适配体3的特异性结合所引起的DNA适配体3构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子5的浓度，具体包括以下步骤：
S1、将光敏光纤在火焰上拉制成直径10.5微米的锥形微纳光纤1，将锥形微纳光纤1与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；
S2、银纳米颗粒修饰的石墨烯界面2于去离子水中形成悬浮液；使锥形微纳光纤1表面产生正电荷，将表面带有正电荷的锥形微纳光纤1浸泡于悬浮液中，提拉干燥形成银-石墨烯界面修饰的锥形微纳光纤1；
在本步骤中，使锥形微纳光纤1表面产生正电荷，具体为：将锥形微纳光纤1浸泡于食人鱼溶液，使锥形微纳光纤1的表面产生羟基，再浸泡于硅烷偶联剂，使锥形微纳光纤1表面产生正电荷。
S3、将已修饰银-石墨烯界面的光纤传感探针浸入含有DNA适配体3的溶液中，利用单链DNA与石墨烯界面2之间的π-π相互作用，从而使DNA适配体3以非共价键形式固定在石墨烯界面2的表面，形成了可用于与多细胞色素c分子分子特异性结合、同时放大细胞色素c分子引起的折射率变化的生物敏感膜；
S4、将固定DNA适配体3的光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将1500～1600nm波段的宽带光输入到锥形微纳光纤中，经过锥形微纳光纤，激发干涉光，并在锥形微纳光纤侧面上形成倏逝波；
S5、随着光纤传感探针的银-石墨烯界面固定的DNA适配体3与培养液中细胞凋亡过程释放的细胞色素c分子5发生特异性结合，引起DNA适配体3的构象变化，锥形微纳光纤侧面上的倏逝波对外界环境变化敏感，使得在光纤干涉谱中倏逝波峰位置发生变化，根据干涉峰的位置变化随时间的响应检测出培养液中细胞色素c分子的浓度，即根据干涉峰波长变化信息，得到培养液的待测细胞群中细胞色素c的浓度信息，幅度变化的灵敏度高达大约0.583nm/log M和6.82×10-17M的极限检测精度。
如图2所示，为银纳米颗粒修饰(简称银修饰)的石墨烯界面在微纳光纤表面的位置，及其增强光线表面倏逝波的机理，银修饰的石墨烯界面为单层膜，位置处于锥形微纳光纤表面倏逝波穿透深度范围内，利用倏逝波激发的表面电磁场共振效应，从而增强光纤表面倏逝波强度，有效提高光纤传感灵敏度。
如图3所示，为将光纤传感探针浸入含有不同浓度细胞色素c的培养液中时表面倏逝波干涉峰某一模式的波长随浓度变化图，在10-17到10-6M浓度范围内，随着细胞色素c的浓度增大，干涉峰的波长呈现线性的变化，线性关系可表示为：
Δλ(干涉峰的波长，nm)＝0.583c(细胞色素c的浓度，log M)+9.89
如图4所示，将光纤传感探针置于含有凋亡细胞的培养液中，虚线为不触发细胞凋亡时干涉峰的波长变化，实线为触发细胞凋亡过程的干涉峰的波长变化；从图中可以看到，随着凋亡细胞的增加，培养液中细胞色素c浓度增大，干涉峰波长随着增大。
综上所述，本发明将锥形微纳光纤与单模光纤熔接形成光纤传感探针，并将银纳米颗粒修饰的石墨烯界面在锥形微纳光纤的表面上组装成单层膜，通过非共价键作用将DNA适配体固定在石墨烯界面的表面，使DNA适配体形成了生物敏感膜，修饰在光纤传感探针上的DNA适配体会与培养液的细胞群中的细胞色素c分子发生特异性结合，由于银纳米颗粒修饰的石墨烯界面与锥形微纳光纤侧面的倏逝波重合，激发了石墨烯界面银纳米颗粒的电磁场共振，从而增强锥形微纳光纤侧面的倏逝波，实现了对光纤传感灵敏度的增强作用，因此可对细胞凋亡初期细胞外微量的细胞色素c分子进行监测，极限检测精度达到6.82×10-17M，而且通过波长解调方法，检测过程中不仅对检测样品免标记，同时具有简便、快速等优点。
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。

Claims (10)

1.增敏型细胞色素c光纤传感装置，其特征在于：包括锥形微纳光纤、石墨烯界面和DNA适配体；所述锥形微纳光纤的过渡区和均匀区形成干涉结构，且锥形微纳光纤与单模光纤熔接构成光纤传感探针；所述石墨烯界面为银纳米颗粒修饰的石墨烯界面，且石墨烯界面在锥形微纳光纤侧面上组装成单层膜；所述DNA适配体通过非共价键作用固定在石墨烯界面的表面；所述光纤传感探针在DNA适配体固定后浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞色素c分子与DNA适配体的特异性结合所引起的DNA适配体构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
2.根据权利要求1所述的增敏型细胞色素c光纤传感装置，其特征在于：所述锥形微纳光纤通过将光敏光纤在火焰上拉制而成。
3.根据权利要求1或2所述的增敏型细胞色素c光纤传感装置，其特征在于：所述锥形微纳光纤的直径为10～11微米。
4.根据权利要求1或2所述的增敏型细胞色素c光纤传感装置，其特征在于：所述光源为1500～1600nm波段的宽带光。
5.增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；将银纳米颗粒修饰的石墨烯界面在锥形微纳光纤侧面上组装成单层膜，通过非共价键作用将DNA适配体固定在石墨烯界面的表面；在DNA适配体固定后，将光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，利用锥形微纳光纤侧面的倏逝波对外界环境变化敏感的特性，对细胞凋亡过程中细胞色素c分子与DNA适配体的特异性结合所引起的DNA适配体构象变化进行检测，从而检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
6.根据权利要求5所述的增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：所述方法具体包括以下步骤：
S1、将光敏光纤在火焰上拉制成锥形微纳光纤，将锥形微纳光纤与单模光纤熔接，制作成光纤传感探针；
S2、银纳米颗粒修饰的石墨烯界面于去离子水中形成悬浮液；使锥形微纳光纤表面产生正电荷，将表面带有正电荷的锥形微纳光纤浸泡于悬浮液中，提拉干燥形成银-石墨烯界面修饰的锥形微纳光纤；
S3、将已修饰银-石墨烯界面的光纤传感探针浸入含有DNA适配体的溶液中，利用单链DNA与石墨烯界面之间的π-π相互作用，从而使DNA适配体以非共价键形式固定在石墨烯界面的表面，形成了可用于与多细胞色素c分子分子特异性结合、同时放大细胞色素c分子引起的折射率变化的生物敏感膜；
S4、将固定DNA适配体的光纤传感探针浸入含有细胞的培养液中，并将光源输入到锥形微纳光纤中，经过锥形微纳光纤，激发干涉光，并在锥形微纳光纤侧面上形成倏逝波；
S5、随着光纤传感探针的银-石墨烯界面固定的DNA适配体与培养液中细胞凋亡过程释放的细胞色素c分子发生特异性结合，引起DNA适配体的构象变化，锥形微纳光纤侧面上的倏逝波对外界环境变化敏感，使得在光纤干涉谱中倏逝波峰位置发生变化，根据干涉峰的位置变化随时间的响应检测出培养液中细胞色素c分子的浓度。
7.根据权利要求6所述的增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：步骤S2中，所述使锥形微纳光纤表面产生正电荷，具体为：
将锥形微纳光纤浸泡于食人鱼溶液，使锥形微纳光纤的表面产生羟基，再浸泡于硅烷偶联剂，使锥形微纳光纤表面产生正电荷。
8.根据权利要求6所述的增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：步骤S5中，所述干涉峰的波长与细胞色素c分子的浓度之间的关系如下：
Δλ＝0.583c+9.89
其中，Δλ为干涉峰的波长，c为细胞色素c分子的浓度。
9.根据权利要求5-8任一项所述的增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：所述所述锥形微纳光纤的直径为10～11微米。
10.根据权利要求5-8任一项所述的增敏型细胞色素c光纤传感方法，其特征在于：所述光源为1500～1600nm波段的宽带光。
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