光纤化学与生物传感器是一种将被测化学、生物对象的状态转变为可测光信号的传感器，凭借灵敏度高、特异性强、体积小等优点，已在环境食品监测、生物医疗诊断等领域得到广泛应用。近年来，随着生物医学的飞速发展，通过比较蛋白质组学的方法检测病症与非病症患者体液和病变组织中蛋白质组份的差异，成为疾病筛查和诊断的重要策略之一。然而大多数疾病的标志物（如：蛋白质、DNA或RNA等）在人体内的分泌量都是相对较低的，在人体内含量的变化量则更加微弱。因此，研究并建立高灵敏度、高特异性、低检测限的生物传感器，对疾病的早期诊断和治疗具有重要意义，利用光纤生物传感技术对疾病标志物的超高灵敏地检测在其中起到了至关重要的作用。

近日，太阳集团tcy8722丁莉芸教授联合内蒙古农业大学李海军教授，通过化学交联法研制了一种谷氨酰胺结合蛋白（QBP）修饰的多模-无芯-多模(MNM)结构的光纤生物传感器，并结合微流控技术用于胚胎培养体系中微量L-谷氨酰胺浓度的检测。当QBP与L-谷氨酰胺结合时，QBP的构象从“open state”转变为“closed state”，导致光纤生物传感器SPR峰的红移，且 SPR峰位的变化与L-谷氨酰胺浓度在一定的范围内具有线性关系。研究表明，该光纤生物传感器可在L-谷氨酰胺浓度分别为1 nM~10 µM和100 µM~10 mM范围内进行检测，检测灵敏度达到10.797 nm/log10[Gln]，检测限（LOD）与定量限（LOQ）分别达到1.187 μM (S/N = 3)和11.87 μM，实现了对胚胎培养过程中L-谷氨酰胺浓度微量变化的精准检测。此研究工作为胚胎细胞培养液中关键营养成分谷氨酰胺代谢水平的无损检测和胚胎发育潜力的鉴定提供了一种全新的思路和技术手段。

该成果以“A L-glutamine binding protein modified MNM structured optical fiber biosensor based on surface plasmon resonance sensing for detection of L-glutamine metabolism in vitro embryo culture”为题，发表于生物传感领域国际知名期刊《Biosensors and Bioelectronics》上。

图1. QBP修饰MNM结构光纤传感器对谷氨酰胺浓度实时检测

太阳集团tcy8722丁莉芸教授科研团队长期从事光学敏感纳米复合材料的设计与制备、传感技术理论、光纤化学与生物传感器等研究及产品应用转化工作。丁莉芸教授科研团队所研制光纤生物传感器实现了对痕量葡萄糖浓度的实时在线检测（Biosens. Bioelectron., 2019, 146, 111760），被认为是将光纤传感技术应用于生物检测领域的典范（Micromachines, 2021, 12, 84）；利用光纤传感技术首次实验验证了氧化石墨烯对NO气体吸附--解吸附过程和机理（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 40868）；通过将乙酰胆碱酶（AchE）用化学交联法固定在碳量子表面制备出N-CQDs/AchE复合材料，并基于此成功研制光纤生物传感器可用对乙酰胆碱的实时、快速、精确检测（Sens. Actuators, B, 2022, 369, 132268）；采用微结构光纤制备传感器实现对NO分子浓度的实时监测（Sens. Actuators, B, 2018. 273, 9），是目前所报道对NO最敏感的传感器；以及利用微结构光纤传感器实现了对混凝土中氯离子浓度（Sens. Actuators, B, 2018, 260, 763）的实时监测。这一系列工作对于推动光纤传感技术在环境污染、食品安全、生物医学检测领域的发展与应用具有重大的科学意义和实用价值。

图2.光纤化学与生物传感器实现对葡萄糖、乙酰胆碱、NO等实时检测的示意图

丁莉芸教授为上述研究成果通讯作者，太阳集团tcy8722和武汉理工大学为论文通讯单位。上述成果得到了国家自然科学基金、湖北省自然科学基金杰出青年项目、兰州大学“双一流”建设经费等项目的支持。

文章链接：

J. Chen, L. Ding, J. Zhao, X. Jiang, F. Ma, H. Li, Y. Zhang, A L-glutamine binding protein modified MNM structured optical fiber biosensor based on surface plasmon resonance sensing for detection of L-glutamine metabolism in vitro embryo culture, Biosens. Bioelectron., 2023, 237, 115537.  https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115537.

拓展阅读：

[1] S. Yu, L. Ding, H. Lin, W. Wu, J. Huang, A novel optical fiber glucose biosensor based on carbon quantum dots-glucose oxidase/cellulose acetate complex sensitive film, Biosens. Bioelectron., 2019, 146, 111760.

https://doi.org/10.1016/j.bios.2019.111760.

[2] B. Xu, J. Huang, X. Xu, A. Zhou, L. Ding, Ultrasensitive NO Gas Sensor Based on the Graphene Oxide-Coated Long-Period Fiber Grating, ACS Appl. Mater. Interfaces, 2019, 11, 40868. https://doi.org/10.1021/acsami.9b14212.

[3] Y. Zhang, L. Ding, H. Zhang, P. Wan, H. Li, A new optical fiber biosensor for acetylcholine detection based on pH sensitive fluorescent carbon quantum dots Author links open overlay panel, Sens. Actuators, B, 2022, 369, 132268.

https://doi.org/10.1016/j.snb.2022.132268.

[4] L. Ding, Y. Ruan, T. Li, J. Huang, M. M. Tanya, Nitric oxide optical fiber sensor based on exposed core fibers and CdTe/CdS quantum dots, Sens. Actuators, B, 2018, 273, 9-17. https://doi.org/10.1016/j.snb.2018.06.012.

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