基于双波长光纤激光传感的高分辨率肿瘤标志物检测技术

引言

肿瘤标志物的早期检测对于改善癌症患者通过及时诊断和治疗的生存率具有重大意义。尽管传统的酶联免疫吸附测定（ELISA）方法具有良好的灵敏度，但需要复杂的样品制备和专业技术人员操作。本文介绍基于双波长光纤激光传感结合微波光子技术解调的创新方法，用于高分辨率肿瘤标志物检测[1]。

1系统设计和工作原理

该传感系统由双波长光纤激光传感器和微波光子技术解调增强系统组成。如论文图1所示，系统包含两个主要部分：用于双波长激光输出的光纤环形激光腔和用于高分辨率信号分析的微波光子技术解调方案。

图1：双波长光纤激光传感器及其信号解调系统的示意图，显示了光信号和射频信号的传输路径。

激光腔在平行光路中采用了套索形状的锥形光纤传感器和光纤光栅（FBG）作为滤波元件。这种独特的设计实现了光谱波长域和频率域的同步分析。如图2所示，套索结构由交替连接的单模光纤（SMF）和无芯光纤（CLF）部分组成，中间的SMF部分被锥化至14.4微米直径。

图2：(a) 套索形状锥形光纤传感器的结构示意图；(b) 光场分布仿真结果；(c) 测得的干涉光谱；(d) FBG反射光谱；(e) 最终的双波长激光输出。

2微波光子技术解调原理

该系统采用基于色散诱导时延的创新微波光子技术解调方法，如图3所示。这种技术将光波长变化转换为微波频谱变化，显著提高了检测分辨率。

图3：微波光子技术解调工作原理图，展示了通过色散诱导时延将光信号转换到射频域的过程。

双波长激光信号作为载波，在电光调制器（EOM）中经过射频信号的强度调制。信号通过色散延迟线后，产生与波长相关的传输延迟，在射频频谱中形成干涉图样。与传统波长分析相比，这种方法使检测分辨率提高了三个数量级。

3性能评估

该系统在折射率（RI）感测和特定肿瘤标志物检测方面表现出优异的性能。图4展示了系统通过波长和射频频谱分析进行折射率感测的性能。

图4：(a) 不同折射率下的双波长激光光谱；(b) 波长与折射率的关系；(c) 不同折射率下的射频光谱；(d) FSR对折射率变化的响应；(e) 陷波频率对折射率变化的响应。

对于生物检测，传感器表面经过特定抗体的精确功能化修饰。图5展示了抗体修饰过程及其通过荧光显微镜验证的结果。

图5：(a) 抗体功能化过程流程；(b) 低光照下的显微成像；(c) 荧光显微成像显示成功的抗体固定。

系统对肿瘤标志物的检测能力通过波长和射频频谱分析得到验证。图7显示了对不同浓度CEACAM5（重要肿瘤标志物）的检测结果。

图6：(a) 与不同浓度CEACAM5反应后的激光光谱；(b) 浓度相关的波长位移；(c) 目标蛋白与对照蛋白的特异性测试结果。

该系统达到了显著的检测性能，检测限为0.076 ng/mL，检测分辨率为0.008 ng/mL。使用人体血清样本进行的临床验证（如图9所示）证实了系统的实际应用价值。

图7：使用不同分析方法对血清样本进行检测的结果与临床数据的对比。

4应用及发展方向

这种创新的传感系统为快速、灵敏、可靠的肿瘤标志物检测提供了新方案。双波长光纤激光传感与微波光子技术解调的结合具有以下优势：

• 超高检测分辨率和灵敏度
• 实时监测能力
• 无标记检测
• 适用于复杂样品基质
• 具有多重检测潜力
  

该技术在临床应用方面展现出良好应用前景，特别是在早期癌症筛查和监测方面。未来的研发可能会集中在扩展系统同时检测多种生物标志物的能力，以及进一步提高灵敏度和特异性。

参考文献

[1] J. Hu, W. Lin, L. Shao, C. Xue, F. Zhao, D. Xiao, Y. Ran, Y. Meng, P. He, Z. Yu, J. Chen, and P. P. Shum, "High-resolution tumor marker detection based on microwave photonics demodulated dual wavelength fiber laser sensor," Opto-Electronic Advances, vol. 7, no. 12, pp. 240105-1-240105-17, Dec. 2024.

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