开发一种灵敏且可重复使用的Mach-Zehnder干涉仪生物传感器，用于检测SARS-CoV-2 N蛋白

《Microchemical Journal》：Development of a sensitive and reusable Mach-Zehnder interferometer biosensor for SARS-CoV-2?N protein detection

光纤马赫-曾德尔干涉仪（MZI）生物传感器检测SARS-CoV-2 N蛋白，通过折射率调制实现低检测限（21-150 ng/mL）、快速响应（10分钟）和高灵敏度（116.4-90.6 nm/RIU），采用硫代磺酸-4-(N- maleimido甲基)环己烷-1-羧酸酯表面修饰，具有可重复使用和低成本优势。

　　光学纤维生物传感器在生物分子检测领域展现出了巨大的潜力，特别是基于马赫-曾德尔干涉仪（MZI）的结构，因其无标记、紧凑、高灵敏度等特性，成为临床诊断和即时检测（point-of-care）应用的理想选择。这类传感器具备便携性、实时响应能力以及成本效益，能够满足快速、准确和广泛适用的检测需求。在本研究中，我们提出并开发了两种线性MZI结构，专门用于通过折射率（RI）变化检测生物分子相互作用。这两种结构分别展示了卓越的分析性能，其中Core-Offset结构对SARS-CoV-2的核衣壳蛋白（N蛋白）的检测限（LOD）为21 ng/mL，而（多模-单模-多模）MSM结构的检测限为150 ng/mL，同时具备10分钟的快速响应时间。此外，Core-Offset结构的折射率灵敏度达到116.4 nm/RIU，而MSM结构的灵敏度为90.6 nm/RIU。这种高灵敏度和快速响应能力，使得传感器在实际应用中具有更高的可行性。传感器的可重复性、可重复使用性以及低成本的制造过程进一步提升了其在实际环境中的应用价值。

为了验证这些传感器的性能，我们将其应用于SARS-CoV-2 N蛋白的检测。N蛋白是病毒RNA包装和复制过程中至关重要的成分，其在病毒中的高丰度使其成为诊断的重要生物标志物。在本研究中，通过监测N蛋白与特定抗体结合后在光纤表面引起的折射率变化，实现了对目标蛋白的精确定量。抗体通过Sulfo-SMCC连接器与光纤表面共价结合，这一过程不仅增强了传感器的稳定性，也提高了其检测的准确性和可靠性。这种基于折射率变化的检测方法，能够有效捕捉生物分子相互作用的微小信号，为病毒的快速检测提供了新的思路。

随着SARS-CoV-2在全球范围内的爆发，人类社会受到了深远的影响，不仅造成了严重的疾病负担和死亡率，还对医疗资源和全球经济带来了巨大压力。在这一背景下，对快速、准确和易获取的诊断方法的需求变得尤为迫切。尽管疫情已经基本结束，但从其诊断过程中获得的经验教训仍然强调了持续研发和优化冠状病毒传感器的重要性。当前，各种创新技术如提高灵敏度、改善可重复使用性以及跨学科方法的整合，已经成为早期检测、疾病监测和疫情控制的新标准。因此，不断回顾和改进这些先进的传感器平台，对于应对未来的潜在病原体具有重要意义。

SARS-CoV-2的结构复杂，主要由四种结构蛋白组成：刺突蛋白（S）、包膜蛋白（E）、膜蛋白（M）和核衣壳蛋白（N）。其中，N蛋白因其高丰度和在病毒RNA包装与复制中的关键作用而备受关注。此外，N蛋白的免疫原性使其成为可靠的生物标志物，有助于实现有效的诊断。目前，诊断方法多种多样，包括分子技术如逆转录聚合酶链反应（RT-PCR）、快速抗原检测和血清学检测等。虽然RT-PCR在准确性方面仍是黄金标准，但其依赖于集中式实验室和较长的检测时间，这在一定程度上限制了传统诊断流程的效率。相比之下，快速抗原检测虽然能够实现快速诊断，但在灵敏度和特异性方面仍存在不足。

为了应对这些挑战，研究人员正在探索多种新兴的检测技术，包括抗原-抗体检测、质谱检测以及生物传感器等，以满足不同的临床和诊断需求。其中，生物传感器因其能够在不依赖标记的情况下实现高灵敏度和高特异性的检测，成为研究的热点。生物传感器通常由一个生物传感组件和一个信号转换器组成，后者能够将传感组件的响应转化为可测量的输出信号，如电学信号（电压或电流）或光学信号（吸收、偏振、强度或波长）。这类技术包括热量计、压电传感器、光学传感器、电化学传感器、场效应晶体管和荧光传感器等。其中，基于生物传感器的平台因其能够实现快速、敏感和特异的检测，展现出巨大的应用前景。这些系统结合了先进的材料科学和创新的分子识别技术，如微小细胞外囊泡和双模式检测，从而提高了诊断的效率。

然而，为了进一步提升这些生物传感器的临床应用价值，仍需要开发更加准确、快速且易于实施的蛋白检测策略。这促使了对替代传感技术的研究，以实现实时、成本效益高且高灵敏度的检测。在这一领域，光学生物传感器因其能够实现无标记检测，同时具备高灵敏度和高特异性，成为极具前景的解决方案。光学生物传感器通常根据其检测机制进行分类，其中包括干涉仪、表面等离子体共振（SPR）和局域SPR（LSPR）设备以及基于荧光的系统。其中，干涉仪因其能够将微小的折射率变化转化为可测量的光学信号，表现出极高的灵敏度。这种能力使其特别适合检测由生物分子相互作用引起的细微变化，如SARS-CoV-2 N蛋白与抗体结合时的折射率变化。

光学纤维生物传感器因其能够实现实时、无标记的检测，同时具备高灵敏度和高特异性，受到越来越多的关注。这些传感器利用了光纤的独特特性，如紧凑的体积、良好的柔韧性和对电磁干扰的抵抗能力，使其成为即时检测的理想选择。光纤生物传感的基本原理是通过检测生物分子相互作用引起的光纤表面或核心的折射率变化来实现目标分析物的检测。干涉仪作为光纤传感技术中的一个重要类别，可以分为四种类型：法布里-珀罗干涉仪、马赫-曾德尔干涉仪、米歇尔森干涉仪和萨格纳克干涉仪。其中，基于马赫-曾德尔干涉仪的传感器因其结构多样、配置灵活以及高灵敏度而被广泛使用。

在光纤干涉仪中，两束光沿着不同的光学路径传播。其中一束路径必须暴露于外部干扰并受到影响。通过调整光纤核心偏移、核心尺寸差异、蚀刻方法以及其他技术，可以实现光学路径差的变化。这种变化使得干涉仪能够有效地捕捉生物分子相互作用引起的信号变化。通过将功能化的光纤与基于抗体的生物识别元件结合，光纤生物传感器能够实现对病毒蛋白的高灵敏度检测，为疾病的快速诊断提供了新的可能性。这种方法不仅提高了检测的准确性，还降低了检测成本，使其在实际应用中更具优势。

为了进一步提高光纤生物传感器的检测性能，我们设计了两种基于马赫-曾德尔干涉仪的通用结构，专门用于SARS-CoV-2 N蛋白的快速和可重复检测。在实验过程中，我们对不同浓度的NaCl溶液的传输光谱进行了分析，以确保传感器的最佳性能。在每次注入新的NaCl样品之前，传感部分都会用清水冲洗，以去除残留的盐分。图3展示了Core-Offset和MSM结构的折射率响应情况。当光束进入传感区域时，会产生具有不同峰和谷的传输光谱。随着折射率的增加，光谱的变化可以被精确地捕捉和分析，从而实现对N蛋白浓度的准确测量。

此外，我们采用了一种异双功能连接剂Sulfo-SMCC，用于将抗体共价结合到光纤表面。这种方法不仅提高了传感器的稳定性，还增强了其检测的准确性。相比于使用价格昂贵的蛋白A作为连接剂，Sulfo-SMCC连接剂能够在不引入额外步骤的情况下实现抗体与光纤表面的共价结合，从而简化了检测流程并降低了成本。通过这种方法，我们不仅实现了对N蛋白的快速检测，还达到了可接受的检测限，同时保证了传感器的可重复使用性。这使得我们的方法在实际应用中更加实用，有效弥补了当前诊断方法中的不足。

光学纤维平台的灵活性和多功能性为其扩展至其他生物分子检测提供了广阔的可能性。通过优化传感器设计和检测流程，该平台可以应用于多种生物分析物的检测，包括临床诊断和环境监测等不同领域。这种基于光学纤维的生物传感器不仅能够满足当前对病毒检测的需求，还具备应对未来潜在病原体的潜力。随着技术的不断发展和应用的不断拓展，光学纤维生物传感器有望成为一种标准化、高效的工具，为疾病的快速诊断提供支持。

在本研究中，我们详细讨论了生物传感器的制备、表面修饰以及抗体固定过程。这些步骤对于确保传感器的性能至关重要。通过使用异双功能连接剂Sulfo-SMCC，我们实现了对N蛋白抗体的共价结合，这不仅提高了传感器的稳定性，还增强了其检测的准确性。实验结果表明，所设计的传感器在检测N蛋白方面表现出显著的性能，包括高灵敏度、快速响应和良好的可重复性。这些结果验证了光纤生物传感器在病毒检测中的应用潜力，并为未来的临床和环境监测提供了新的思路。

通过本研究的成果，我们希望为生物传感器的发展提供参考，并推动其在临床和环境监测中的应用。随着对病毒检测需求的不断增加，开发更加高效、便捷和经济的检测方法成为研究的重点。光学纤维生物传感器因其独特的性能，如高灵敏度、快速响应和低成本，成为实现这一目标的重要工具。通过不断优化传感器设计和检测流程，我们可以进一步提升其在实际应用中的价值，为公共卫生和疾病防控提供有力支持。同时，这些研究成果也为未来其他生物分子的检测提供了可能，拓宽了生物传感器的应用范围。