CN112304906B - 一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统及其制备方法和应用，首先在81°TFG端面镀银膜形成反射式81°TFG，然后在栅区表面依次修饰大尺寸金纳米壳(AuNs)粒子、氧化石墨烯（GO）和特异性识别分子制得反射式81°TFG探针，后构建由22耦合器两个偏振控制器和两根反射式81°TFG探针组成的双通道传感器，实现基于双通道探针式81°TFG局域表面等离子体共振(LSPR)的免疫传感器。该传感器的两个通道相互独立，互不影响，可实现对目标生物分子的阳性和阴性样本的同时检测，从而增强其临床检测应用的可靠性；或同时对两种不同的目标生物分子进行特异性检测，且快速检测、操作简单及探针式结构操作更加方便，具有较大的应用潜力。

Description

一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统及其制备方 法和应用

技术领域

本发明涉及生物分子传感器技术领域，特别的涉及一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统及其制备方法和应用。

背景技术

光纤光栅生物传感器不仅继承了生物传感器的高生物敏感性、高特异性或光谱选择性，同时还具有无污染、快速实时、便携、体积小、成本低等优点，因此，在生物医学研究、临床诊疗、基因分析、食品安全和环境监测中得到广泛地应用。

由于光纤生物传感器具有微尺寸、免标记抗及电磁干扰等优点，可与各种纳米粒子材料结合构成极高灵敏度的光纤局域表面等离子体共振(LSPR)传感器,也可集成二维材料如氧化石墨烯(GO)等构成生物亲和性能良好传感器，因此，各种集成GO的光纤LSPR传感器得到日益关注。其中，81°倾斜光纤光栅(81°TFG)是一种光栅周期介于LPFG和光纤Bragg光栅之间结构新颖的极大倾角的特种光纤光栅，光栅倾斜角度约为81°，在1250-1700nm波段具有丰富的谐振光谱。大角度倾斜条纹极大的增强了光纤的双折射效应，因此它体现出比TFBG更强的偏振相关性(同一个高阶包层模存在TM/TE简并模)，其纤芯基模与同向包层模之间的相位匹配条件可表示为：

式中，λ为包层模的谐振波长；为纤芯基模有效折射率，/>是第m阶包层模式的有效折射率；Λ_G表示光栅正常周期，θ为光栅的倾斜角度；/>和Λ_G为环境温度T与应变ε的函数，/>还是外部折射率n_StI的函数。由于其较高的折射率(Refractiveindex,RI)灵敏度和极低的温度交叉敏感性，已被报道用于pH值、振动、液位及生物标记物等物理和生化领域的传感应用。目前，本课题组已报道了大尺度纳米金壳(AuNs)修饰极大倾角光纤光栅构成LSPR传感器用于检测细胞程式死亡-配体1(PD-L1)，氧化石墨烯(GO)修饰包层腐蚀型81°TFG检测牛血清白蛋白(BSA)等。但由于81°TFG与长周期光纤光栅(LPFG)一样，都属于透射式光纤光栅，不仅在实际应用过程中不方便测量操作，而且对外部环境感知的光程短，导致灵敏度低。且上述传感器均为单通道透射型生物传感器，由于待测目标参量种类和特性的多样化，检测时间长，系统误差大，使得单通道透射式传感器已逐渐无法满足实际检测的需要。

甲胎蛋白(alpha-fetoprotein,AFP)是与肝癌肿瘤相关的胚胎特异-球蛋白,分子量约为70kDa，一直以来，AFP在临床上作为检测肝癌肿瘤发生的标志物。当肝脏细胞受到相关因素刺激之后，尤其是因乙型肝炎病毒、丙型肝炎病毒感染而引起的肝硬化以及肝细胞癌患者，其肝脏细胞可以重新获得合成AFP的能力，导致体内AFP呈现高表达，因此AFP被广泛运用于原发性肝癌的早期筛查、诊断以及复发监控、预后检测。目前，血清标志物检测方法主要包括酶联免疫吸附技术(ELISA)与化学发光免疫分析法、免疫胶体金技术、蛋白质芯片法等。但是这些纯粹的生化方法存在步骤繁琐、检测灵敏度不高、仪器设备价格昂贵等缺点，因此探索高效、可靠、低成本的检测技术对于肝癌的早期诊断、复发监控具有十分重要的意义。

发明内容

针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供了一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统及其制备方法，解决现有透射型光纤生物传感器存在的操作不方便，灵敏度和准确性较低，无法同时进行特异性对照测试导致的可靠性不高的问题，或无法同时对两种不同的目标生物分子进行检测等问题。

本发明还提供了基于双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统用于AFP免疫检测，可应用于肝癌的快速、早期诊断和复发监控，为AFP检测提供了新的选择。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下的技术方案：包括依次连接的宽带光源、光隔离器、在线起偏器、双通道传感器以及光谱分析仪；所述双通道传感器包括2×2耦合器以及与之分别相连的两个偏振控制器，每个偏振控制器上还连接有一根反射式81°TFG探针，所述反射式81°TFG探针经2×2耦合器的另一个端口与光谱分析仪相连接；所述反射式81°TFG探针的端面镀有银反射膜，且反射式81°TFG探针的栅区表面通过共价键固定有纳米金壳粒子层，所述纳米金壳粒子层的表面吸附有氧化石墨烯膜，所述氧化石墨烯膜的表面通过共价键固定有特异性生物识别分子；分别通过所述偏振控制器控制线偏光的偏振方向使所述两个反射式81°TFG探针分别在C波段的包层模激发TM模或TE模，且激发得到的两个TM模或TE模之间的谐振峰不重合。

所述特异性生物识别分子是能特异性识别待检测的目标物质，如单克隆抗体，适配体等生物分子。

当待检测的目标物质与特异性生物识别分子进行结合的时候，将引起探针式81°TFG共振波长吸收谱强度的变化，同时改变包层模的有效折射率，从而导致反射的谐振波长发生了明显红移现象，且谐振波长的红移大小与目标物质的浓度在一定的检测范围内是呈正比例关系的，因此可以通过反射端的光谱分析仪检测探针式81°TFG的谐振波长的红移大小，则可计算出目标物质的浓度。由于两个反射式81°TFG探针(探针式81°TFG)通过分别连接2×2耦合器的两个输出端构成两个不同的光信号通道，且分别通过控制两个通道的偏振控制器来控制线偏光的偏振方向使两个探针式81°TFG分别在C波段的包层模激发TM模(或TE模)，且谐振峰并不重合，从而实现两个通道间的光信号谐振谱对外部介质响应的相互独立，互不影响；而且光纤表面功能化的每个步骤，在对两个通道的反射式81°TFG探针表面进行功能化处理可同时同步骤进行，可进一步保障两个通道对待检测物质检测的一致性。

探针式81°TFG末端的端面镀有高反射率银膜，大角度倾斜条纹将部分入射线偏振光从纤芯基模耦合到高阶包层模，包层模的光被端面的银膜反射，根据光路可逆原理，其中一部分光又被探针式81°TFG从包层耦合到纤芯中反向传播，如图1(a)所示。由于探针式81°TFG是在81°TFG栅区后做切面镀银膜制成的反射型传感器，其端面的银膜对光能量的反射率达不到100％，且光在包层中的传输损耗很大，造成反射回来的包层模能量损耗，所以其谐振峰相对于透射式81°TFG的谐振峰整体下移，但是两者的偏振相关特性相似，并可通过控制线偏光的偏振方向完全激发TM模、TE模或同时激励两个简并模，透射式81°TFG和探针式81°TFG在C-L波段的偏振相关光谱分别如图1(b)、(c)所示。由于探针式81°TFG的光对外部环境感知的光程是透射式81°TFG的两倍，理论上而言，它比透射式81°TFG对外界参数(特别是环境折射率)的变化更加敏感，拥有更高的灵敏度。

作为优选的，谐振峰间距优选值10nm<Δλ<50nm，以保证光谱信号解调时能够区分开两个通道的TM模(或TE模)谐振峰，使两个通道间的光信号谐振谱对外部介质响应的相互独立，互不影响。

作为优选的，所述探针式81°TFG的端面与栅区末端的距离为1～2cm。由于随着切割端面与栅区距离越来越小，光能量在探针式81°TFG中走过的路程也越来越短，包层模能量的损耗越小，反射谱的能量就越大，谐振峰的深度就越小；且探针式81°TFG反射谱谐振峰的深度随着切割端面与栅区距离呈线性变化。当切割端面距离栅区只有1cm时，谐振峰的损耗最小。

作为优选的，所述纳米金壳粒子的粒径为165nm。

作为优选的，所述银反射膜的反射率为大于99％。

本发明的另一个目的在于提供一种上述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统的制备方法，包括以下步骤：

1)取81°TFG并在距离栅区末端1～2cm处切割出平整的端面，然后在所述端面镀上一层反射膜，得到预处理好的81°TFG；

2)将步骤1)预处理好的81°TFG浸入NaOH溶液激活光纤表面的羟基，再将羟基化的栅区浸没于硅烷偶联剂中，在65℃环境下静置使光纤表面引入巯基，然后将其浸入离心处理后的纳米金壳溶液中，使纳米金壳以共价键方式结合到光栅表面，最后用超纯水反复冲洗光栅表面并干燥，制成81°TFG-LSPR探针；

3)将81°TFG-LSPR探针置于氧化石墨烯分散液中孵化6h，在光栅表面沉积氧化石墨烯膜，然后浸入EDC/NHS活化剂中活化氧化石墨烯表面的羧基，然后用超纯水和无水乙醇反复冲洗其表面，得到81°TFG-LSPR-GO探针；

4)取两根81°TFG-LSPR-GO探针分别浸入对目标待测物具有特异性识别的生物分子溶液中反应，使生物分子通过共价键结合到氧化石墨烯表面，反应结束后用PBS缓冲溶液反复冲洗，再浸入脱脂奶粉封闭液中，封闭GO表面未结合的羧基位点，得到两根反射式81°TFG探针；

5)按照宽带光源、光隔离器、在线起偏器、2×2耦合器、两个偏振控制器、两根反射式81°TFG探针、光谱分析仪的顺序将各部分依次连接。

作为优选的，所述银反射膜采用以下方法制得：将硝酸银溶液和氢氧化钾溶液混合产生棕色沉淀，然后通过加入少量氨水并搅拌致沉淀溶解，产生银氨离子[Ag(NH₃)₂]⁺，再加入右旋葡萄糖溶液，最后将81°TFG切割出的端面插入并浸没在上述混合溶液中，置于50℃～70℃水浴加热40s，取出并在空气中干燥。

作为优选的，所述氧化石墨烯分散液的浓度为2mg/mL。

作为优选的，所述特异性生物识别分子的浓度为0.8mg/mL。

本发明的另一个目的在于提供上述传感器在用于甲胎蛋白(AFP)的免疫检测方面的应用，所述特异性生物识别分子为AFP单克隆抗体。

相比现有技术，本发明具有如下有益效果：

1、本发明提出的双通道传感器，首先在81°TFG端面镀银膜形成反射式81°TFG，然后在栅区表面依次修饰大尺寸金纳米壳(AuNs)粒子、氧化石墨烯(GO)和特异性识别分子制得反射式81°TFG探针，后构建由2×2耦合器、两个偏振控制器和两根反射式81°TFG探针组成的双通道传感器，实现基于双通道探针式81°TFG局域表面等离子体共振(LSPR)的免疫传感器。由于氧化石墨烯层具有很大的比表面积，能够极大的增加单位体积内对特异性识别生物分子的有效吸附位点，从而能够极大的提高传感器对待测物浓度的检测范围。另外，在81°TFG端面涂覆银膜使其包层模式位于模式转换区，可以进一步提高其对外部环境感知的光程，极大提高免疫传感器的灵敏度，可广泛应用于生物、医学、环境监测、食品安全、生命科学等领域的生化物质分子的超痕量检测。

2、本发明制备的双通道传感器用于不同浓度的BSA和标准AFP抗原溶液检测，实验结果表明，该传感器的两个通道相互独立和互不影响，这是由于两个通道间的光信号谐振谱对外部介质响应是相互独立和互不影响，且两个通道对待检测物质检测具一致性。相对于单通道透射式81°TFG传感器而言，本发明可实现对目标生物分子的阳性和阴性样本的同时检测，从而增强其临床检测应用的可靠性。并且该双通道探针式81°TFG免疫传感器具有速检测、操作简单及探针式结构操作更加方便等优点。另外当在两个不同通道的探针表面修饰不同生物分子识别单元，将具有同时检测两种不同目标生物分子的能力。相对于传统的检测方法，本发明具有良好的特异性、临床性和实时监测以及超高灵敏度、免标记、操作简便、快速检测等优点，具有较大应用潜力。

3、本发明还提供了基于双通道传感器实现对AFP抗原的特异性检测，通过使用进行特异性对照实验，再在复杂血清环境下完成免疫检测实验，结果表明该传感器对AFP具有高度的特异性，而且达到了临床应用的水平，对AFP的检测极限在1～10pg/ml之间，检测范围为1pg/ml～200ng/ml，在此范围内对AFP抗原的检测灵敏度为～0.155nm/Log(pg/ml)。因此，本发明的免疫传感器可应用于肝癌的快速、早期诊断和复发监控，具有良好的应用前景，同时也为AFP检测提供了新的思路和选择。

附图说明

图1为81°TFG的光谱特性；(a)本发明反射式81°TFG探针光路耦合原理图；(b)透射式81°TFG在C-L波段偏振相关光谱图；(c)本发明反射式81°TFG探针在C-L波段偏振相关光谱图；

图2为本发明双通道传感器系统的结构示意图。

图3为制备反射式81°TFG的表面修饰过程示意图；(a)羟基化+硅烷化；(b)修饰AuNs；(c)涂敷GO；(d)活化羧基基团；(e)传感器表面修饰AFPMAbs；(f)封闭多余羧基位点。

图4为反射式81°TFG的SEM图；(a)修饰AuNs；(b)修饰AuNs与GO。

图5为反射式81°TFG表面修饰AuNs及GO之后的能谱图。

图6为本发明双通道传感器的折射率灵敏度标定；(a)反射式81°TFG探针1；(b)反射式81°TFG探针2。

图7为本发明双通道传感器的两根探针式81°TFG修饰AuNs及GO前后的RI灵敏度对比。

图8为本发明双通道传感器的AFP抗原检测对照实验；(a)光谱随浓度的变化，(b)谐振波长漂移量随时间的变化。

图9为本发明双通道传感器系统的谐振波长红移量与BSA、AFP抗原溶液的对数浓度关系曲线。

图10为本发明双通道传感器系统的临床性实验光谱及谐振波长变化，(a)临床性实验过程光谱变化；(b)临床性实验过程谐振波长随时间变化。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明。下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和原料，如无特殊说明，均可以从商业途径获得和/或根据已知的方法制备获得。

实施例1基于双通道探针式81°TFG倾斜光纤光栅的AFP免疫传感器系统

如图2所示，双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统，包括依次连接的宽带光源1、光隔离器2、在线起偏器3、双通道传感器4以及光谱分析仪5；所述双通道传感器包括2×2耦合器6(分光比为1:1)以及与之分别相连的两个偏振控制器7，每个偏振控制器7上还连接有一根反射式81°TFG探针8，所述反射式81°TFG探针8经2×2耦合器6的另一个端口与光谱分析仪5相连接。所述反射式81°TFG探针8的端面镀有银反射膜，且反射式81°TFG探针的光栅表面通过共价键固定有纳米金壳粒子层，所述纳米金壳粒子层的表面吸附有氧化石墨烯膜，氧化石墨烯膜的表面通过共价键固定有AFP单克隆抗体。

具体实施时，由宽带光源1(ASE,1250-1650nm)发出的宽带光，经光隔离器2、在线起偏器3通过2×2耦合器1:1分光后的两个端口分别输入到两个PC(偏振控制器7)，每个PC独立控制一根反射式81°TFG探针8的偏振态，使两根反射式81°TFG探针同时完全工作在TM模或TE模状态，且激发的两个TM模或TE模之间的谐振峰不重合(间距优选值10nm<Δλ<50nm)，以保证光谱信号解调时能够区分开两个通道的TM模(或TE模)谐振峰，两根反射式81°TFG探针末端处的银膜将包层和纤芯的光反射，包层内的反射光经过栅区再次耦合回纤芯，与纤芯的反射光一同经过2×2光耦合器6的另一个端口输出到光谱分析仪(AQ637D,600～1700nm，分辨率0.03nm)，构成双通道传感器。其中，光隔离器2的作用是防止后向散射和反射光对前向传输光的影响，在线起偏器3的作用是产生线偏光，通过PC控制其偏振态。

实施例2、基于双通道探针式81°TFG倾斜光纤光栅的AFP免疫传感器系统的制备方法(1)81°TFG探针的预处理

选取两支81°TFG，实验所采用的81°TFG周期为～32μm，栅区长度～1.2cm。首先使用光纤切割刀在距离81°TFG栅区末端1cm处切割出平整的端面，然后在探针末端端面镀上一层银薄膜形成反射镜结构减少反射光谱的损耗，以保证传感器光谱稳定性。采用还原法在端面镀银膜，具体操作方法如下：取新制备的硝酸银溶液640μL和氢氧化钾溶液440μL在试管中摇匀混合，产生棕色沉淀，然后通过加入少量氨水并搅拌致沉淀溶解，产生银氨离子[Ag(NH₃)₂]⁺，再加入右旋葡萄糖溶液64μL，最后将两根81°TFG端面插入试管，浸没在溶液中，并将试管放置在50℃～70℃水浴加热40秒，取出光栅并在空气中干燥。由此，可在81°TFG末端的端面沉积一层银膜制成反射式结构的81°TFG。

2、81°TFG探针的表面修饰过程

81°TFG探针的表面修饰过程如图3所示，具体步骤如下：

1)将反射式81°TFG浸入8mg/mL的NaOH溶液～3.5h，再于室温下继续浸泡0.5h，以激活光纤表面的羟基(-OH)，再将羟基化的栅区浸没于硅烷偶联剂MPTMS溶液(冰乙酸配制，1％)，在65℃环境下静置～8min，使光纤表面引入巯基(-SH)，然后将其浸入离心处理后的纳米金壳溶液(AuNs,粒径～160nm)中，避光反应～8h，使纳米金壳以共价键方式结合到光栅表面，最后用超纯水反复冲洗光栅表面并干燥，制成81°TFG-LSPR探针；

2)将EDC(0.004g)和NHS(0.002g)以2:1的质量比溶于200μL超纯水中，然后取MES缓冲液300μL混合均匀，得到EDC/NHS活化剂；然后将81°TFG-LSPR探针置于400μL浓度为2mg/mL的氧化石墨烯分散液中孵化6h，在光栅表面沉积氧化石墨烯膜，然后浸入EDC/NHS活化剂中活化氧化石墨烯表面的羧基，然后用超纯水和无水乙醇反复冲洗其表面，得到81°TFG-LSPR-GO探针。

3)取两根81°TFG-LSPR-GO探针分别浸入AFPMAbs溶液(200μL，0.8mg/mL，PBS配置)中反应，使生物分子将通过共价键结合到氧化石墨烯表面，反应结束后用PBS反复冲洗传感器以去除其表面未结合的生物分子；最后，用配置好的脱脂奶粉(SMPSF)封闭液浸泡81°TFG-LSPR-GO探针1h，以封闭光栅表面未被结合的羧基位点，即得到两根反射式81°TFG探针。

3、组装：按照宽带光源、光隔离器、在线起偏器、2×2耦合器、两个偏振控制器、两根反射式81°TFG探针、光谱分析仪的顺序将各部分依次连接，即得到双通道探针式81°倾斜光纤光栅的AFP免疫传感器系统。

性能检测

1、形貌表征

利用场发射扫描电子显微镜(FESEM，ZEISS SIGMA HD)对实施例2中81°TFG表面修饰AuNs及GO后的形貌进行表征，如图4所示。

图4(a)为光纤表面只修饰AuNs时的FESEM图，可见81°TFG表面AuNs有少量团聚现象；图4(b)为光纤表面修饰AuNs及GO后的FESEM图，由于AuNs氨基化导致部分AuNs脱落，但改善了光纤表面AuNs团聚现象，分布更加均匀，而且AuNs以及光纤表面包裹着一层致密的GO薄膜。图5为81°TFG表面修饰AuNs及GO后的能谱图，其中C元素和部分O元素是来自光纤表面GO，而Si元素和部分O元素来自光纤(SiO₂)材料，而Au元素则是来自光纤表面的AuNs。表明本发明所使用的修饰方法能够有效地将AuNs及GO固定于81°TFG光栅表面。

2、可行性试验

使用实施例2制备的双通道探针式81°TFG倾斜光纤光栅的AFP免疫传感器系统(图2)，采用独立的偏振控制器使两支反射式81°TFG探针同时完全激发为TM模式。首先将反射式81°TFG探针2的栅区置于RI为1.37935的NaCl溶液中，将反射式81°TFG探针1的栅区依次置于RI为1.3331～1.37935的NaCl溶液中进行折射率灵敏度标定；然后采用相同方法对反射式81°TFG探针2进行折射率灵敏度标定。

图6(a)和(b)分别为反射式81°TFG探针1的栅区置于不同RI的NaCl溶液和反射式81°TFG探针2的栅区置于不同RI的NaCl溶液的光谱变化。从图中可以看出，固定双通道传感器的其中一个通道，将另一个通道置于不同RI的溶液中时，固定通道的光谱几乎不受另一个通道外界环境RI变化的影响，而置于不同RI液体的通道对应的光谱会随着外界环境RI的变化而变化，两个通道相互独立且完全不相互影响，表明构建双通道探针式81°TFG生物传感器的想法是完全可行的，当在其表面修饰不同生物分子识别单元，将具有同时检测两种不同目标生物分子的能力。

同时，对两支反射式81°TFG探针在表面修饰AuNs及GO前后进行折射率灵敏度标定，如图7所示。反射式81°TFG探针1和反射式81°TFG探针2在修饰AuNs及GO后的RI灵敏度分别为169.14nm/RIU和175.50nm/RIU，分别较修饰前提高了～10.44％、10.19％。更重要的是，在生物传感应用中，GO的表面和边缘众多的含氧基团极大的增加了光栅表面与生物分子的结合位点，为其后续对特异性抗原的检测灵敏度的提高起到了关键性作用。

3、灵敏度试验

使用PBS配置相同浓度梯度的BSA溶液和标准AFP抗原溶液，浓度从低到高依次为：1pg/ml、10pg/ml、100pg/ml、500pg/ml、1ng/ml、10ng/ml、100ng/ml、200ng/ml、500ng/ml。利用图2所示实验系统，分别在通道1和通道2加入相同浓度的BSA溶液(200μL)和标准AFP抗原溶液(200μL)浸没反射式81°TFG探针传感器栅区，使用光谱仪记录光谱动态变化过程(～1min记录一次)。当光谱趋于稳定之后(～15min)，使用PBS充分冲洗两个通道中的反射式81°TFG探针，然后记录传感器在PBS中的光谱作为对应浓度等级的最终响应光谱。

图8(a)和(b)分别为检测过程中反射式81°TFG探针传感器系统的光谱变化和谐振波长红移量随时间的变化。如图8(a)所示，对于通道1，随着BSA浓度增加，其探针式81°TFG传感器的谐振波长几乎没有变化，表明其表面修饰的AFP-MAbs并没有和BSA分子发生特异性结合；相反的，通道2随着AFP抗原溶液浓度的增加，探针式81°TFG的谐振波长发生了明显红移，当AFP抗原浓度分别为1pg/ml和10pg/ml时，对应谐振波长分别发生了0.055nm和0.155nm的红移，因此其对AFP抗原的检测极限可在1pg/ml～10pg/ml之间；此外，当AFP抗原浓度分别为200ng/ml和500ng/ml时，红移量分别为0.855nm和0.880nm，波长红移量变化趋于平稳，这是因为随着AFP抗原溶液浓度的增加，光栅表面能和AFP抗原发生特异性结合的AFP-MAbs位点逐步减少，因此，其对AFP抗原检测的饱和点约为200ng/ml。值得注意的是，如图8(b)所示，在每个浓度等级的检测过程中，通道1对应的谐振波长没有出现明显波动，而通道2对应的谐振波长出现明显的波动，这可能正是反映了通道2的反射式81°TFG探针传感器表面的AFP MAbs与AFP抗原之间同时发生的结合和解离的动态过程。

图9给出图8中对应的两个通道谐振波长红移量与BSA溶液以及AFP抗原溶液的对数浓度之间的关系。可见，通道1对应的谐振波长随着BSA溶液的对数浓度增加并没有发生明显变化，而通道2谐振波长红移量与AFP抗原溶液的对数浓度呈较好线性关系，通过线性拟合可表示为

Δλ＝0.155x+2.196 (2)

因此，传感器系统对AFP抗原的特异性检测灵敏度为～0.155nm/Log(pg/ml)。

4、临床性试验

为评估该双通道探针式81°TFG-LSPR传感器系统在复杂血清环境下的临床检测能力，使用浓度为20％的HF溶液对两根81°TFG轻微腐蚀以去除光纤表面所有涂覆层，再次使用前述相同方法对两根81°TFG进行表面修饰和生物功能化。由于健康人体血清中AFP浓度范围为0-7ng/mL，肝癌晚期患者的血清中AFP浓度可达到100-1000ng/mL，而所制作的双通道传感器对AFP抗原浓度检测的饱和点为～200ng/ml，综合考虑这些情况，实验中用PBS将肝癌患者血清与健康人体血清稀释10倍。将稀释后健康人体血清、肝癌患者血清分别分为A、B、C、D、E、F六组，使用双通道传感器的通道1和通道2同时分别检测六组健康人体血清和六组肝癌患者血清。取A组的健康人体血清和肝癌患者血清200μL分别同时浸泡通道1和通道2，每1min记录一次光谱数据，待光谱稳定后(～15min)用PBS充分清洗两个通道，并记录传感器在空白PBS中谐振波长，使用相同的方法完成B～F组血清样本的检测，结果如图10所示。

健康人体血清和肝癌患者血清都含有许多其他杂质分子，两者的区别在于肝癌患者血清中AFP分子的含量远远高于健康人体血清，图10(a)和(b)分别为双通道传感器对不同组血清免疫检测过程中的光谱变化及谐振波长红移量随时间变化的关系。由图10(b)可知，通道1检测健康人体血清的谐振波长红移量为～0.20nm，参考图8对标准AFP抗原溶液的检测结果，AFP抗原浓度为100pg/ml时谐振波长红移量为0.215nm，表明本次测试的健康人体血清中含有少量AFP且稀释后血清中AFP的浓度略大于100pg/ml；而通道2中检测肝癌患者血清后谐振波长红移量为～0.75nm，表明稀释后的肝癌患者血清中AFP分子浓度在100ng/ml左右，远高于健康人体血清中的AFP分子浓度。以上血清免疫检测结果与我们的预期一致。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不以本发明为限制，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统，其特征在于，包括依次连接的宽带光源、光隔离器、在线起偏器、双通道传感器以及光谱分析仪；所述双通道传感器包括2×2耦合器以及与之分别相连的两个偏振控制器，每个偏振控制器上还连接有一根反射式81°TFG探针，所述反射式81°TFG探针经2×2耦合器的另一个端口与光谱分析仪相连接；所述反射式81°TFG探针的端面镀有银反射膜，且反射式81°TFG探针的栅区表面通过共价键固定有纳米金壳粒子层，所述纳米金壳粒子层的表面吸附有氧化石墨烯膜，不同通道所述氧化石墨烯膜的表面通过共价键固定有不同特异性生物识别分子；分别通过所述偏振控制器控制线偏光的偏振方向使两个反射式81°TFG探针分别在C波段的包层模激发TM模或TE模，且激发得到的两个TM模或TE模之间的谐振峰不重合；

所述两个TM模或TE模的谐振峰间距为10nm<Δλ<50nm。

2.根据权利要求1所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统，其特征在于，所述81°TFG探针的端面与栅区末端的距离为1~2cm。

3.根据权利要求1所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统，其特征在于，所述纳米金壳粒子的粒径为165nm。

4.根据权利要求1所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统，其特征在于，所述银反射膜的反射率为大于99%。

5.一种如权利要求1~4任一项所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）取81°TFG并在距离栅区末端1~2cm处切割出平整的端面，然后在所述端面镀上一层反射膜，得到预处理好的81°TFG；

2）将步骤1）预处理好的81°TFG浸入NaOH溶液激活光纤表面的羟基，再将羟基化的栅区浸没于硅烷偶联剂中，在65℃环境下静置使光纤表面引入巯基，然后将其浸入离心处理后的纳米金壳溶液中，使纳米金壳以共价键方式结合到光栅表面，最后用超纯水反复冲洗光栅表面并干燥，制成81°TFG -LSPR探针；

3）将81°TFG -LSPR探针置于氧化石墨烯分散液中孵化6h，在光栅表面沉积氧化石墨烯膜，然后浸入EDC/NHS活化剂中活化氧化石墨烯表面的羧基，然后用超纯水和无水乙醇反复冲洗其表面，得到81°TFG -LSPR-GO探针；

4）取两根81°TFG -LSPR-GO探针分别浸入对目标待测物具有特异性识别的生物分子溶液中反应，使生物分子通过共价键结合到氧化石墨烯表面，反应结束后用PBS缓冲溶液反复冲洗，再浸入脱脂奶粉封闭液中，封闭GO表面未结合的羧基位点，得到两根反射式81°TFG探针；

5）按照宽带光源、光隔离器、在线起偏器、2×2耦合器、两个偏振控制器、两根反射式81°TFG探针和光谱分析仪的顺序将各部分依次连接。

6.根据权利要求5所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统的制备方法，其特征在于，所述银反射膜采用以下方法制得：将硝酸银溶液和氢氧化钾溶液混合产生棕色沉淀，然后通过加入少量氨水并搅拌致所述沉淀溶解，产生银氨离子[Ag(NH₃)₂]⁺，再加入右旋葡萄糖溶液得到混合溶液，最后将81°TFG切割出的端面插入并浸没在上述混合溶液中，置于50℃~70℃水浴加热30~60s，取出并在空气中干燥即可。

7.根据权利要求5所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统的制备方法，其特征在于，所述氧化石墨烯分散液的浓度为2mg/mL。

8.根据权利要求5所述双通道探针式81°倾斜光纤光栅传感器系统的制备方法，其特征在于，所述特异性生物识别分子的浓度为0.8mg/mL。

9.权利要求1~4任一项所述传感器系统或5~8任一项所述方法制得的传感器系统在用于甲胎蛋白的免疫检测方面的应用，所述特异性生物识别分子为AFP单克隆抗体。