面向肿瘤标志物检测的高灵敏度干涉型光纤微流传感器研究

The concentration of the tumor biomarker in human body, which changes with the pregnancy, generation and development of the tumor, can be detected to offer scientific basis for early diagnosis of cancer and evaluation the therapeutic efficacy. Considering the concentration of tumor biomarkers are extremely low and the existing detection methods can't meet the requirement for tumor markers detection on accuracy, a new optofluidic sensor has been proposed in this case, which is fabricated by tapering parallelly aligned silica capillary and optical fiber to form a mode interferometer. The target biomolecules bind to bio-probe in the interior capillary and induce wavelength shift by interacting with the evanescent-field. This case will mainly research on the following three aspects: (1) the high-precision control of microfluidic device structure parameters and acquisition method of high quality interference spectrum; (2) sensitivity enhancing method of the optofluidic sensor; and (3) the effect of flow velocity on the efficiency and sensitivity of biological molecules binding. Based on the implementation of this research, we strive to develop an optofluidic sensor with high sensitivity, realize specific detection of tumor marker biomolecules, represented by p53 protein molecular, and provide feasible scientific method for clinical diagnosis.

人体内肿瘤标志物分子的含量随着肿瘤的孕育、产生和发展过程发生变化，对特定分子浓度进行测量能够为肿瘤的早期诊断及治疗效果评价提供重要的科学依据。针对肿瘤标志物分子浓度极低、现有检测手段精度不足这一难题，本项目提出一种新型光微流传感器研究方案：通过将微光纤-石英毛细管进行同步熔融拉锥构成光学模式干涉仪，待测分子与管内壁上的生物探针发生特异性结合，并通过倏逝场作用引起透射谱漂移。项目将展开以下三方面研究：（1）微流器件结构参数的高精度控制与高质量干涉谱的获得方法；（2）光微流传感器的增敏方法；（3）液流速度对生物分子结合效率及灵敏度的影响机理。通过本项目的实施，力争研制出高灵敏度的光微流传感器，实现以p53蛋白质分子为代表的肿瘤标志物的特异性检测，为临床诊断提供可行的科学手段。

光微流传感器不仅具有光学传感器灵敏度高、抗电磁干扰等优点，又具备了微流控技术操控自由度高、样品消耗量低等优点。光微流控传感器的出现和发展符合个体化医疗和精准医疗的发展趋势，是当前光学传感与生物医学检测领域的重点研究方向。针对肿瘤标志物分子浓度极低、现有检测手段精度不足这一难题，本项目提出一种基于微纳光纤-微管的新型光纤微流控传感器，该传感器既提供了液流通道，又是光学干涉仪。传感器与通道内壁上特异性吸附的生物分子发生倏逝场作用，并引起干涉仪输出的透射谱漂移。本项目主要围绕微纳光纤-微管复合波导的实现机制与工艺、传感器增敏、液流速度对生物分子结合效率及灵敏度的影响机理等方面展开研究。经过三年的研究，（1）明晰了传感器的敏感机理，优化了拉锥工艺，实现了光纤微流器件结构参数的高精度控制，获得具有高质量干涉谱的传感器，一步熔融拉锥的光纤光微流传感器干涉谱型的对比度可以达到30 dB，折射率灵敏度在103 nm/RIU量级，检测波长稳定性好，波长抖动均方差可以低至19 pm；（2）基于有限元等数值计算方法，计算并分析了光纤光微流传感器各主要结构参数对折射率灵敏度的贡献机理，发现了色散拐点效应，即当传感器的微光纤直径与通道微管壁厚以一定方式组合时，出现折射率灵敏度由正无穷向负无穷发生阶跃跳变，在色散拐点附近能够获得显著的灵敏度提升。以这一理论结果为指导，在实验上通过精确控制传感器的截面几何参数，将折射率灵敏度提升至1.6×104 nm/RIU 相比于前期工作，提升了一个数量级；（3）基于该传感器对流动样本中肿瘤标志物p53蛋白的检测研究发现，合理控制流速可以增大特异性吸附概率，减少非特异性吸附，可实现p53蛋白的探测极限低至4 fg/mL。本研究提出的光纤光微流传感器具有灵敏度高、稳定性好、操作方便、制备方法简单，在生物分子测量方面具有显著优势，为肿瘤疾病早期诊断提供可行的科学手段，在疾病标志物的即时检测方面非常具有发展潜力，具有重要的科学意义。