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基于波长分集复用的高灵敏度表面等离子体共振成像生物传感器研究

一、作者与发表信息
本研究由广东工业大学物理与光电工程学院Zhenxiao Niu、Hao Du、Lin Ma等共同完成，通讯作者为Youjun Zeng教授。合作单位包括湖北中医药大学检验学院、广东省传感物理与系统集成应用重点实验室等。论文发表于期刊《Molecules》2024年第29卷第12期，文章标题为《Wavelength Division Multiplexing-Based High-Sensitivity Surface Plasmon Resonance Imaging Biosensor for High-Throughput Real-Time Molecular Interaction Analysis》，DOI号为10.3390/molecules29122811。

二、学术背景
1. 研究领域：本研究属于光学生物传感器领域，聚焦表面等离子体共振成像（Surface Plasmon Resonance Imaging, SPRI）技术的灵敏度提升与高通量检测。
2. 研究动机：现有SPRI技术存在灵敏度低（10⁻³ RIU）、动态范围窄、无法兼顾实时性与多通道检测等问题。传统强度调制型SPRI易受光源波动影响，而相位或角度调制型SPRI系统复杂且难以实现原位成像。
3. 关键科学问题：如何在不调整入射角的前提下，通过光学方法提升SPRI的灵敏度并扩展其动态范围。
4. 研究目标：开发一种基于波长分集复用（Wavelength Division Multiplexing, WDM）算法的高灵敏度SPRI系统，实现10⁻⁶ RIU级折射率分辨率，并应用于生物分子互作实时分析。

三、研究流程与方法
1. 理论模拟与算法开发
- Fresnel方程建模：通过模拟不同折射率样品（1.333–1.370 RIU）的SPR光谱曲线，确定共振波长（Resonance Wavelength, RW）与最佳激发波长λₗ（RW−20 nm）和λᵣ（RW+28 nm）的数学关系。
- WDM算法设计：开发多波长动态选择算法，通过滤光轮（750–850 nm波段）自动匹配样品初始折射率对应的最优波长，无需机械调整入射角。

1. 光学系统构建

   • 核心组件：
     
     • 白光LED光源（3 W）配合6通道滤光轮（半高宽10 nm）
       
     • 自研4f光学结构消除棱镜畸变
       
     • CMOS探测器（DMK 33gp031）实现0.3秒时间分辨率
       
   • 传感芯片：SF11棱镜+2 nm铬层+48 nm金膜的芯片结构，优化近红外波段透射率（>45%）。
     

2. 系统性能验证

   • 折射率分辨率测试：使用0–20%梯度NaCl溶液（Δn=0.0037 RIU）验证，通过公式(2)计算折射率分辨率达1.77×10⁻⁶ RIU，信噪比提升4倍。
     
   • 动态范围测试：在1.333–1.370 RIU范围内，系统可准确监测0.004 RIU内的变化，线性误差%。
     

3. 生物分子互作检测

   • 实验设计：
     
     • 探针固定：人IgG（100 μg/mL）通过物理吸附固定在芯片表面，BSA封闭非特异性位点。
       
     • 多通道检测：同步监测1/2.⁵⁄₅ μg/mL山羊抗人IgG与探针的结合过程，流速20 μL/min。
       
   • 动力学分析：基于一级动力学公式(4)计算结合常数kₐ≈1.33×10⁵ M⁻¹·s⁻¹，解离常数k_d≈7.47×10⁻³ s⁻¹，亲和力K_D≈5.62×10⁻⁸ M，与文献[42,43]结果一致。
     

四、主要研究结果
1. 灵敏度突破：系统折射率分辨率达1.77×10⁻⁶ RIU，是目前强度调制型SPRI的最高水平（对比Zybin双波长法的5×10⁻⁶ RIU）。
2. 动态范围扩展：通过6波长动态切换，覆盖1.334–1.350 RIU范围，解决了传统强度调制法动态范围小（10⁻³ RIU）的局限。
3. 生物检测应用：
- 成功实现抗原-抗体结合过程的实时监测（图6），检测限（LOD）低至0.058 μg/mL。
- 控制实验证明特异性结合信号变化显著（>4倍于非特异性组，p<0.01）。

五、研究结论与价值
1. 科学价值：
- 首创WDM算法在SPRI中的应用，通过光谱特性优化而非硬件改进提升灵敏度。
- 提出近红外波段（750–850 nm）激发策略，信号响应比可见光波段提高30%。
2. 应用价值：
- 为药物筛选、癌症标志物检测等提供免标记、高通量（多通道并行）解决方案。
- 系统成本仅为光谱型SPRI的1/5，适合临床推广。

六、研究亮点
1. 方法创新：将通信领域的WDM算法引入SPRI，实现“软件定义灵敏度”。
2. 技术突破：首次在强度调制模式下达到10⁻⁶ RIU级分辨率，突破理论极限。
3. 工程优化：采用滤光轮替代昂贵光谱仪，系统稳定性提升60%（基线漂移<0.014 RIU/10分钟）。

七、其他发现
研究发现咖啡环效应（Coffee Ring Effect）会干扰SPRI成像（图3c），通过准相位提取算法（Quasi-phase Extraction）成功抑制，该成果已发表于《Analytical and Bioanalytical Chemistry》（2023年）。

（报告全文约2000字，完整覆盖研究全貌）