特约分享 | Sensor. Actuat. B-Chem.| 2021| 高性能细胞传感器:合适纳米金覆盖率的Ω形光纤LSPR

      本期特邀分享：西北大学化学与材料科学学院罗泽伟博士2021年发表在 Sensors and Actuactors B: Chemical上关于光纤细胞传感器的研究性论文，题目为“Development of a rapid and ultra-sensitive cytosensor: Ω-shaped fiber optic LSPR integrated with suitable AuNPs coverage”。该工作的通讯作者为西北大学分析仪器研究中心段忆翔教授。

       细胞传感器在早期癌症诊断中起着至关重要的作用。作为一种新兴的传感器，基于局部表面等离子体共振（LSPR）的光纤传感器具有微型设备、实时和无标记检测的优点。但其低灵敏度、费时，在细胞分析过程受到限制。

       为解决这些局限性，本文构建了一步法基于LSPR的细胞传感器。该传感器组成为：在Ω形光纤表面修饰有合适覆盖率的纳米金（AuNPs）。AuNPs覆盖率能影响光纤LSPR的折射率敏感性（RIS）和光纤捕获癌细胞的密度。通过研究AuNPs对细胞传感器性能的影响，构建的细胞传感器检测灵敏、快速，在37.5分钟的检测时间内，其检测限（LOD）可低至12个细胞/ mL。因此，该细胞传感器有望作为癌症诊断新型分析方法。

1、研究了AuNPs覆盖率影响细胞传感器灵敏度和分析时间的规律；

2、实现了高灵敏、快速的癌细胞分析；

3、Ω形光纤LSPR的细胞分析性能优于传统的U形光纤LSPR。

       首先，我们研究了AuNPs覆盖率与折射率灵敏度（RIS）之间的关系。RIS依赖于光诱导的每个AuNP自由电子的集体振荡。因此，增加光纤表面AuNPs覆盖率能增加RIS。图1a是AuNPs修饰不同时间的SEM图，随着修饰时间的增加，光纤表面AuNPs覆盖量不断增加。图1b所示，通过Image J软件对相应的AuNPs覆盖范围进行了统计量化。随着修饰时间的增加，AuNPs的覆盖率逐渐增加。当修饰时间超过40分钟时，光纤表面的AuNPs从均匀分散变为聚集状态。图1c形象展示了光纤表面AuNPs在不同修饰时间下的分布情况。

图1. AuNPs修饰时间对AuNPs覆盖率的影响。

        接着，作者使用染料Hoechst 33342对细胞核进行染色，使用平均荧光强度定量捕获的细胞密度，研究AuNPs覆盖率对光纤捕获癌细胞的影响。如图2a和2b所示，当修饰时间从2.5分钟到40分钟时，平均荧光强度呈线性增加，表明捕获的癌细胞密度连续增加。此后，随着AuNPs的修饰时间继续增加，光纤捕获的癌细胞密度接近平衡。图2c展示了AuNPs覆盖率可以调整光纤捕获癌细胞的密度，从而影响细胞传感器的检测灵敏度。

图2. AuNPs覆盖率对Ω形光纤表面上捕获的癌细胞数量的影响。

      接着，作者进一步探讨了AuNPs覆盖率对细胞传感器性能的影响。细胞传感器的性能取决于RIS和捕获细胞密度的两个因素。在聚集状态时，光纤表面存在大量的AuNPs。由于聚集时随机的，光纤LSPR的吸收峰明显加宽。因此，聚集的AuNPs导致RIS急剧下降。另一方面，在聚集状态时，捕获的癌细胞密度趋于平衡。因此，在聚集状态时，AuNPs覆盖率的增加给细胞传感器带来负面影响。

       接着，作者研究了均匀分布状态下，即AuNPs的修饰时间为2.5-40分钟，细胞传感器信号随AuNPs修饰时间的变化情况。如见图3a，随着修饰时间的增加，吸收值不断增加。图3b是将90分钟的值作为1，进行了归一化处理。以吸收值为80%的时间和信号强度分别分析时间和检测信号。图3c研究了U形和Ω形光纤纳米金修饰时间与分析时间之间的关系，两者的分析时间都会随AuNPs修饰时间增加而增加。换句话说，低AuNPs覆盖率的光纤LSPR可实现快速分析。在相同AuNPs覆盖率下，Ω形LSPR较U形光纤LSPR分析时间更短。图3d研究了检测信号与纳米金修饰时间之间的关系。发现随着纳米金修饰时间增加，信号值不断增加。在相同AuNPs覆盖率下，与U形光纤LSPR相比，Ω形LSPR的检测信号值更高。因此，Ω形光纤在分析时间和检测信号方面均优于U形光纤，更利于分析癌细胞。

图3. AuNPs覆盖率调控光纤LSPR细胞传感器的分析时间和检测信号。

      为了评估基于Ω形光纤LSPR细胞传感器的性能，作者以MCF-7细胞作为模型。如图4a所示，取信号值为80%对应时间作为检测时间，也就是37.5分钟。取该点的A₅₅₀值为检测信号，做标准曲线。如图4b所示，A₅₅₀与MCF-7癌细胞浓度在5×10¹至1×10⁵细胞/ mL范围内具有良好的线性关系，计算检出限（LOD，3σ/ S）为12个细胞/ mL。因此，基于Ω形光纤LSPR的细胞传感器能实现超灵敏、快速的癌细胞分析。

图4. Ω形光纤LSPR生物传感器对检测MCF-7癌细胞的灵敏度。

      本研究通过控制AuNPs修饰时间调控光纤表面AuNPs覆盖率。系统研究AuNPs覆盖率控制细胞传感器的分析时间和灵敏度的规律。在均匀分散状态下，AuNPs覆盖率高，分析时间长，灵敏度高；反之亦反。与U形光纤相比，Ω形LSPR能加速分析过程，增强了癌细胞检测灵敏度。同时，制备的细胞传感器可在37.5分钟内实现LOD低至12个细胞/ mL的超灵敏检测。因此，基于Ω形光纤LSPR的细胞传感器进一步有望作为癌症诊断的分析方法。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.snb.2021.129706

撰稿人：西北大学化学与材料科学学院分析仪器研究中心  何露

校稿人：西北大学化学与材料科学学院分析仪器研究中心  冯燕婷

责任编辑： 罗泽伟