表面修饰型光纤传感器用于临床血清果糖痕量光谱检测

近日，西安交通大学第一附属医院麻醉手术部朱耀民教授与中国科学院西安光机所王瑞多助理研究员团队共同在“表面修饰型光纤传感器用于临床血清果糖痕量光谱检测”方向取得突破性进展。相关成果“Advanced Surface-Functionalized Optical Fiber Biosensing Platform for Ultrasensitive Fructose Quantification in Biological Fluids”发表于生物传感领域国际顶级期刊Biosensors and Bioelectronics（中科院一区 Top，IF=10.5 ，图1 ）。西安交通大学第一附属医院麻醉手术部主任朱耀民教授为论文的末位通讯作者，西安光机所助理研究员王瑞多为共同通讯作者， 麻醉手术部 博士研究生杨岚、麻醉手术部副主任李岩松副研究员为论文的共同第一作者， 西安交通大学第一附属医院为第一完成单位。 论文得到了合作作者西安光机所孔德鹏研究员、西北大学江曼副教授、燕山大学李建设教授等学者的悉心指导和支持。

果糖是葡萄糖的同分异构体，其血液浓度与2型糖尿病、脂肪肝、妊娠糖尿病多种代谢性疾病密切相关。然而，实现快速、灵敏、低成本的果糖定量分析仍是当前临床检验的一大难题，其发展主要受限于样本处理复杂和检测周期长等因素。

表面修饰型光纤传感器作为近年来在医工结合潮流下兴起的一种新型分子检测方式，具有抗电磁干扰、小型化、低成本、可复用等优势。针对这一临床重大需求，研究团队创新性地将光纤传感技术与生物分子识别机制相结合，开发出一种基于级联结构的光纤生物传感器，实现了对血清中果糖的高灵敏度、快速、无标记检测。该研究通过依次熔接单模光纤与七芯光纤，构建微球谐振腔，并采用热熔拉锥结构显著提升了传感器对包层模折射率的响应能力。在此基础上，研究人员将酮己糖激酶（KHK）共价固定在光纤表面，形成特异性识别层，使传感器具备对果糖的靶向捕获能力（图2-3）。结合微流控循环换液清洗系统，该传感器对果糖标准品的动态检测灵敏度达5.98 nm/(μg/mL)，检测限低至12.6 ng/mL，通过动态时间曲线可得传感器检测样本后具备极高的清洗效率和还原性，验证了多次重复使用能力。

传感器的结构示意图与制备流程图

用于检测的实验装置图

传感检测中通常评估检测样本的准确性，却很少有论文中评估待测样本配制的准确性。因此，在这项研究中，为了精准评估传感器的检测准确性，研究人员对所有待测样本通过高效液相色谱-三重四极杆质谱（LC-MS）这一“金标准”方法检验并与光谱数据进行自校准，结果表明在血清复杂环境中，传感器仍表现出优异的抗干扰能力和高特异性，通过Bland-Altman检验统计结果证实该光纤传感器在临床未知血清样本中的检测结果与LC-MS具有良好的准确性与一致性，检测单一样本的时长仅为5分钟（图4）。综合研判，该传感系统的检出限、灵敏度、检测时长、特异性等综合性能达到国际领先水平（表1）。

根据西安交通大学第一附属医院基于临床研究项目所提供的多例患者的临床血清样本检测表明，该技术能够实现对血清样本中果糖浓度的精确检测，构建了光纤光谱法面向生化分子检测时的新技术体系。这种快速检测果糖血清浓度的方法有助于代谢性疾病的诊断、风险评估以及个体化治疗，更好地指导临床决策。此外，本工作中提出的传感器平台有望推广应用于其他生物标志物或化学化合物的检测，为临床医学研究及发展提供强有力的支持。

传感器检测果糖浓度的结果图

本研究依托国家自然科学基金（62305380, 82471216）、中央高校基本科研业务费（xzy012023130, xzy022023077）等项目 的 支持完成 。此项研究的顺利开展，是麻醉手术部在医工交叉这一前沿领域迈出的关键一步，更是一次以临床需求为牵引、融合前沿科技、推动诊疗变革的生动实践。这是继可视可调双腔管转化之后，麻醉手术部在医工结合方向又一里程碑式研究成果。科室将继续深耕不辍，致力于在科研创新的征程上再谱华章！

原文链接：

Advanced surface-functionalized optical fiber biosensing platform for ultrasensitive fructose quantification in biological fluids - ScienceDirect