集成微流控芯片的μFBG生物传感器，用于子痫前期的即时诊断

MEMS 2024-03-31 00:02

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子痫前期是一种严重的多器官并发症，严重威胁孕妇和婴儿的安全。为了准确及时地诊断子痫前期，迫切需要对特定生物标记物进行即时检测。然而，子痫前期的关键生物标志物之一胎盘生长因子（PlGF）在患者体内的表达水平较低，这对生物传感器的定量能力和检测限（LOD）提出了挑战。

据麦姆斯咨询报道，近期，为解决上述问题，暨南大学的研究人员提出了一种用于定量检测临床血清样本中PlGF的微光纤布拉格光栅（μFBG）生物传感器。布拉格光栅刻在单侧锥形光纤中，以产生分段法布里-珀罗光谱，从而提高检测能力。此外，该传感器中还添加了一个温度校准布拉格光栅，以同时实现PlGF和温度的双参数检测，从而消除串扰。最后，该生物传感器可以与微流控芯片完美兼容，从而将样品消耗量大幅减少到10 μL。拟议的生物传感器可对浓度为5 ~ 120 pg/mL的PlGF做出响应，检测限低至5 pg/mL，具有良好的临床价值。更重要的是，该生物传感器实现了对患者临床血清样本的微量检测，其接受者操作特性曲线（ROC）的曲线下面积（AUC）为0.977，证实了该装置的可行性。该研究为高性价比、高精度地筛查子痫前期患者提供了新思路，从而为子痫前期患者的即时诊断带来了广阔的前景。相关研究成果以“Point-of-care diagnosis of pre-eclampsia based on microfiber Bragg grating biosensor”为题发表在Biosensors and Bioelectronics期刊上。

传感器的制造与功能化

如图1所示，μFBG生物传感器传感系统由分辨率为0.1 pm的高分辨率光谱分析仪（OSA）、光纤耦合器以及与微流控芯片集成的μFBG传感探头组成。实验光路使用3 dB光纤耦合器将1520 nm ~ 1560 nm的宽带光传输到μFBG传感探头，并将反射光谱传输到OSA。图1（c）显示了在光学显微镜下拍摄的锥形光纤的图像和同时测量折射率（RI）和温度变化的双FBG示意图。其中，FBG1用于检测RI变化，而FBG2对RI变化没有任何影响，因此被用作参考光栅以排除温度串扰。双光栅的反射光谱如图1（d）所示。

图1 用于诊断子痫前期的μFBG生物传感器检测原理示意图

临床血清样本中的PIGF测试

研究人员利用制备的μFBG生物传感器分析了子痫前期患者和健康对照者的血清样本。如图2（a）所示，将制备的μFBG探针置于微流控芯片内，将10 μL血清样品注入通道凹槽中。样品反应30分钟后，记录光谱响应峰的波长漂移并使检测结果归一化。μFBG探针检测子痫前期患者和健康受试者的局部光谱响应如图2（b）所示。检测16个血清样品的波长漂移如图2（c）所示。图2（d）显示了临床样本的统计学测试结果，子痫前期患者的PlGF水平低于健康对照组。根据ROC曲线分析，预测子痫前期患者的最佳临界值为0.155 nm。根据该生物传感器的最佳临界值，可推断诊断子痫前期的PlGF阈值水平为47.30 pg/mL。值得注意的是，这些临床样本可以直接使用生物传感器进行检测，无需稀释或预处理，表明所提出的生物传感器具有在临床环境中使用的能力。

图2 （a）将样本注入微流控芯片以检测临床血清样本；（b）μFBG探针检测健康对照者和子痫前期患者血清样本的局部光谱；（c）16个血清样品反应30分钟后选定信号峰的响应；（d）μFBG探针在检测患病组和健康组时的响应；（e）ROC曲线显示了使用μFBG生物传感器检测临床血清样品的分类能力

综上所述，该研究提出了一种新型μFBG生物传感器，用于子痫前期生物标志物（PLGF）的未稀释临床血清样本的检测。单边锥形微光纤布拉格光栅可以增强RI灵敏度，并在不同直径区域分别刻写FBG实现温度补偿。微流控芯片与光纤探针的集成显著减少了待测样品的消耗量。该生物传感器不仅可以检测到低浓度的PlGF，还可以准确区分阳性和阴性子痫前期患者，并通过ROC曲线有效验证了生物传感器的可行性。其实际LOD为5 pg/mL，检测范围为5 ~ 120 pg/mL，子痫前期的诊断阈值水平为47.30 pg/mL。这项工作提供了一种简单方便、高灵敏度、微量检测、高性价比的检测方法，有望用于临床环境中子痫前期的即时诊断。