近日，光学与电子科技学院沈常宇教授、周文俊研究员课题组报道了一种基于表面等离子体光纤光谱梳和金纳米颗粒标记的快速超灵敏核酸传感器，相关成果以“Rapid ultra-sensitive nucleic acid detection using plasmonic fiber-optic spectral combs and gold nanoparticle-tagged targets”为题发表在传感器领域TOP期刊Biosensors and Bioelectronics上（影响因子12.6，中科院1区）。
核酸是携带和传递生物遗传信息的重要遗传物质，它普遍存在于所有真核生物、原核生物、病毒和噬菌体中。许多疾病如由细菌或病毒引起的沙眼衣原体感染、乙型肝炎病毒和人类免疫缺陷病毒等，都可以通过检测核酸来实现诊断。此外，对于一些易出现假阴性检测的传染性致病细菌，如淋病奈瑟菌、脑膜炎奈瑟菌和肺炎链球菌也能实现高效率检测。目前已有许多传统的核酸生物传感方法，如荧光法、表面等离子体共振法、电化学法和拉曼散射的表面增强法等，并取得了很好的检测效果。然而，传统传感技术的有限精度可能会导致假阴性结果，尤其是对于混合/混合样本检测。例如，大多数方法的检测极限水平约为10−12 mol/L（pM）。此外，较多传统方法需要通过使用多种循环扩增策略，增加了检测复杂性和设备成本。因此，开发一种快速且灵敏度高的核酸检测传感平台将是非常必需的和具有重要意义的。
众所周知，倾斜光纤光栅可以激发众多的包层模式，并且对光纤表面周围环境敏感。当光纤包层模式与表面等离子共振相位匹配时，倾斜光纤光栅可以在金表面激发倏逝表面等离子体共振波。然而，这些表面等离子波对光纤周围的折射率敏感度大约在10-6至10-7 RIU。对于碱基对较少的核酸（例如长度约为6-7 nm的核酸），其折射率灵敏度无法满足核酸检测。基于此，本研究在引入待测核酸样品之前，在核酸单链的3或5端使用硫醇有机化合物将目标核酸结合到金纳米颗粒上。当金纳米颗粒标记的靶核酸被吸引到探针核酸时，附着的金纳米颗粒也被金膜表面“抓住”，这导致引起金膜表面折射率的局部扰动，实现金膜表面等离子共振的增强，并且能够实现较低核酸浓度检测。
图1显示是本研究核酸检测示意图，包括显示基本原理的基于棱镜的表面等离子共振示意图，基于倾斜光纤光栅的表面等离子共振装置原理图，探针核酸在镀金倾斜光纤光栅上的表面功能化示意图，金纳米颗粒和靶核酸之间的结合示意图，核酸探针和镀金倾斜光纤光栅的靶核酸的耦合，探针核酸和靶核酸偶联前后的光谱示意图以及倾斜光纤光栅的金表面上的核酸的示意图和分子结构图。图2显示的是1pM目标核酸与核酸探针结合前后的光谱图及其核酸检测选择性图。
图1. (a)基于棱镜的表面等离子共振示意图；(b)基于倾斜光纤光栅的表面等离子共振装置原理图；(c)探针核酸在镀金倾斜光纤光栅上的表面功能化；(d)金纳米颗粒和靶核酸之间的结合；(e)探针和镀金倾斜光纤光栅的靶核酸的耦合；(f)探针和靶核酸偶联前后的光谱示意图；(g)倾斜光纤光栅的金表面上的核酸的示意图和分子结构图
图2. 核酸检测光谱图及其核酸检测选择性。
该研究提出的基于倾斜光纤光栅-表面等离子共振的超低限核酸传感器，实现了快速响应的原位核酸监测，满足了人们对近实时监测的高度需求。此外，基于强度的测量为检测核酸浓度提供了一种潜在的低成本方式。所提出的倾斜光纤光栅-表面等离子共振核酸传感器显示出从1×10−18 mol/L到1×10–7 mol/L的超宽核酸检测范围，超低检测限为1.0×10−18 mol/L（1 aM）。该核酸传感平台还能够通过使用不同的核酸受体来扩展用于检测各种核酸。此外，该传感器还具有高稳定性、体积小、实时检测和温度自补偿等优点，这将在未来帮助人们保持健康和对抗疾病方面具有非常重要的意义。
该工作得到了国家自然科学基金(12274386)、浙江省重点研发项目(2021C01179)和国家重点研发项目(2021YFF0600203)的资助。
详见论文原文：
Changyu Shen, et al., Rapid ultra-sensitive nucleic acid detection using plasmonic fiber-optic spectral combs and gold nanoparticle-tagged targets, Biosensors and Bioelectronics 242, 115719 (2023). https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115719
