用蓮藕制造納米傳感器？科學(xué)家成功提取直徑5μm的藕絲光纖，能用于極小區(qū)域的生物傳感探測

從直徑 8cm 左右的蓮藕片中提取出來直徑 3μm-5μm 蓮藕絲微光纖，這不是在做一道高級菜品，而是暨南大學(xué)教授李寶軍團(tuán)隊(duì)、副教授楊先光課題組的一項(xiàng)納米光學(xué)新成果。
（來源：Nano Letters）
這種蓮藕絲微光纖，兼具生物相容性高、有源波導(dǎo)損耗極低的特點(diǎn)，能在可見光范圍之內(nèi)實(shí)現(xiàn)無源波導(dǎo)。同時(shí)，由于該光纖的直徑較小，并且具備柔性微纖維的特性，故能用于極小探測區(qū)域的生物傳感應(yīng)用。
它不僅能展現(xiàn)出固有的熒光效應(yīng)，并能實(shí)現(xiàn)耦合光的波導(dǎo)效應(yīng)，這些獨(dú)特性質(zhì)讓單絲監(jiān)測器可以成為具備多種傳感功能的出色組件，從而能夠用于 pH 值探測和細(xì)菌活性檢測。
同時(shí)，這些特性也為發(fā)展環(huán)保型多路生物傳感技術(shù)做出了積極貢獻(xiàn)。
圖 | 楊先光（來源：楊先光）
就其應(yīng)用前景來說：
其一，能夠促進(jìn)生物傳感技術(shù)的發(fā)展。
通過利用蓮藕絲微光纖的良好生物相容性和柔性微纖維，單絲監(jiān)測器有望成為生物傳感領(lǐng)域的重要組件。
將其用于生物體之內(nèi)，可以監(jiān)測不同環(huán)境條件下的生理指標(biāo)比如 pH 值等，從而為醫(yī)學(xué)診斷和健康監(jiān)測提供新途徑。
其二，能夠用于環(huán)境監(jiān)測和污染檢測。
單絲監(jiān)測器的特性使其能夠用于監(jiān)測環(huán)境中的各種污染物質(zhì)，例如細(xì)菌活性檢測。這對于環(huán)境監(jiān)測和水質(zhì)安全具有重要意義，有助于及早發(fā)現(xiàn)并應(yīng)對潛在的環(huán)境問題。
其三，能夠促進(jìn)光學(xué)器件的創(chuàng)新。
蓮藕絲微光纖的波導(dǎo)特性，為光學(xué)器件帶來了新的可能性，包括助力開發(fā)新型光學(xué)傳感器、波導(dǎo)調(diào)制器等，進(jìn)而用于通信、成像和其他光學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域中。
其四，能夠用于生物醫(yī)學(xué)工程。
利用蓮藕絲微光纖的柔性微纖維，有望造出新型可植入式設(shè)備，從而在組織工程和藥物輸送等方面發(fā)揮作用。
同時(shí)，本次提取的蓮藕絲微光纖直徑均勻、表面光滑幾乎無光學(xué)缺陷，在不同波長激光照射下顯示出明顯的紅、綠、藍(lán)熒光，并表現(xiàn)出穩(wěn)定的熒光強(qiáng)度。
這種熒光信號可以沿著蓮藕絲微光纖的軸向傳輸，實(shí)現(xiàn)類似于通信光纖的傳輸特性。
此外，蓮藕絲微光纖具有良好的柔韌性和靈活度，可彎曲成不同形狀，能用于集成微納光學(xué)器件。

（來源：Nano Letters）
而楊先光課題組的長遠(yuǎn)目標(biāo)，是打算把藕絲光學(xué)傳感器用于人體胃液樣本，為此首先需要精確地模擬胃液環(huán)境，不僅包括對胃液的液體環(huán)境進(jìn)行探測，同時(shí)還需要監(jiān)測胃液幽門螺桿菌的變化。
為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，他們打算在模擬胃液微環(huán)境中，同時(shí)獲取有源波導(dǎo)和無源波導(dǎo)的光信號，以便實(shí)現(xiàn)生物友好、簡單方便的人體胃液樣本醫(yī)療監(jiān)測。
科研選題，緣何選中一塊蓮藕？

那么，楊先光是基于哪些原因?qū)⒄n題選在一塊蓮藕片上？對此他表示，在現(xiàn)代生物物理學(xué)和生物醫(yī)學(xué)中，持續(xù)監(jiān)測生物體的生理病理狀態(tài)非常重要。
即使是基線參數(shù)之上的微小波動，也可能是細(xì)胞反應(yīng)的生物學(xué)變化或功能變化的信號。
為了解決生物環(huán)境的研究和診斷，微/納米光學(xué)生物傳感器已經(jīng)成為強(qiáng)大的工具。
基于微/納米光纖的光學(xué)生物傳感器，在探測和監(jiān)測液體環(huán)境和生物活性方上的確具有很高價(jià)值。

（來源：Nano Letters）
然而，目前大多數(shù)傳統(tǒng)光纖仍然是基于玻璃、半導(dǎo)體或金屬材料的，并不完全適合于生物相關(guān)的環(huán)境，容易受到折彎、彎曲或擠壓等物理損壞。
目前，生物傳感器使用的傳統(tǒng)光纖材料的損耗水平在 0.1dB/μm，存在損耗高的問題。
而且在與生物樣本接觸時(shí)，由于生物相容性較差，傳統(tǒng)光纖容易對樣本產(chǎn)生不良影響。同時(shí)，信號容易發(fā)生交叉干擾，導(dǎo)致靈敏度低。
而蓮藕片這樣一種純天然材料，恰好可以解決上述問題。然而，如何精準(zhǔn)地從蓮藕絲纖維束中分離出來單絲微纖維，是擺在課題組面前的第一個(gè)難題。
蓮藕絲纖維束被果膠等成分包裹，不僅排列整齊、而且呈螺旋結(jié)構(gòu)，這使得獲取單絲微纖維不僅需要去除果膠等成分，還需要解螺旋并精準(zhǔn)地抽取出目標(biāo)纖維。

（來源：Nano Letters）
而在微納米尺度實(shí)現(xiàn)解螺旋更是困難重重。然而，該團(tuán)隊(duì)先是研究蓮藕復(fù)絲整整兩年之久，后又通過三個(gè)月的不懈攻克，成功摸索出化學(xué)輔助物理分離的創(chuàng)新方法，最終取得了直徑均勻、表面光滑、長度可觀的單絲微纖維。
具體來說，他們通過反復(fù)使用強(qiáng)堿溶液和去離子水，使得蓮藕絲纖維束中的每兩根單絲微纖維得以自由狀態(tài)。
接著，借助兩根熔融拉制的錐形光纖和雙面膠，巧妙地將纖維束拉直，并在兩端用雙面膠固定。
然后，將錐形光纖緩慢地穿插到蓮藕絲束之間，再利用錐形光纖直徑較大的部分施加橫向力。
接著，在光纖調(diào)節(jié)架的幫助之下，精確地控制橫向力的方向和大小，最終獲取了所需的單絲微纖維。
這時(shí)，他們將抽取出來的蓮藕絲束，在質(zhì)量濃度為 20g/L 的氫氧化鈉水溶液中浸泡兩小時(shí)，然后利用光纖將蓮藕絲轉(zhuǎn)移到干凈的玻片上，反復(fù) 6 次滴加去離子水，借此清除殘留的氫氧化鈉溶液。

（來源：Nano Letters）
再利用精密度達(dá)到 50 納米的光纖調(diào)節(jié)架，將蓮藕絲微光纖分離出來，此時(shí)的蓮藕絲微光纖具有螺旋式的結(jié)構(gòu)。
隨后，再對蓮藕絲微光纖進(jìn)行形貌表征。即先將蓮藕絲微光纖轉(zhuǎn)移到干凈的硅片上，在溫度為 25℃ 的烘箱中干燥 30 分鐘。
而后，打開掃描電子顯微鏡并將電壓調(diào)整為 20KV，這時(shí)利用二次電子****，通過高真空環(huán)境下 3.5K 倍鏡進(jìn)行顯微觀察，借此得到蓮藕絲微光纖的微觀表面結(jié)構(gòu)。
顯微鏡下的蓮藕絲微光纖呈現(xiàn)出一維柱形結(jié)構(gòu)，長度大于 600μm，直徑為 3μm-5μm，其不僅直徑均勻，而且表面光滑、光學(xué)缺陷也非常少。
然后，他們開始研究蓮藕絲微光纖的無源波導(dǎo)特性和有源波導(dǎo)特性。在不同的位置上，課題組利用光纖分別將紅、綠、藍(lán)三種顏色的激光，耦合進(jìn)入蓮藕絲微光纖之內(nèi)進(jìn)行傳輸。
由于蓮藕絲微光纖的折射率遠(yuǎn)大于空氣折射率，因此這種設(shè)計(jì)能夠有效降低光在蓮藕絲微光纖傳輸過程中的散射損失。
通過此，在蓮藕絲微光纖的末端，他們成功探測到不同傳輸距離下的無源光信號強(qiáng)度，實(shí)現(xiàn)了無源光波導(dǎo)的光學(xué)傳輸。
接著，他們再一次利用光纖，將藍(lán)光耦合進(jìn)入蓮藕絲微光纖之內(nèi)。由于光致發(fā)光的過程，會導(dǎo)致蓮藕絲微光纖產(chǎn)生綠色熒光。而熒光信號會沿著蓮藕絲微光纖的長度方向，傳播到不同的距離。
經(jīng)過顯微分光光度計(jì)的物鏡、濾光片、狹縫和光柵處理之后，這時(shí)帶有光譜信息的光，得以到達(dá)探測器并能完成光譜采集。
借此可以實(shí)現(xiàn)有源波導(dǎo)的光學(xué)傳輸，也為進(jìn)一步研究光波導(dǎo)特性提供了關(guān)鍵數(shù)據(jù)。
基于蓮藕絲微光纖設(shè)計(jì)細(xì)菌傳感器和 pH 傳感器

最后，基于蓮藕絲微光纖的無源波導(dǎo)特性和有源波導(dǎo)特性，該團(tuán)隊(duì)展示了兩項(xiàng)應(yīng)用。
其一，基于蓮藕絲微光纖的無源波導(dǎo)特性，課題組設(shè)計(jì)了一款細(xì)菌傳感器。
在細(xì)菌和細(xì)胞的凋亡過程中，細(xì)菌細(xì)胞膜的通透性的改變，會導(dǎo)致酶促物質(zhì)逐漸從細(xì)菌細(xì)胞內(nèi)部，釋放到周圍的液體微環(huán)境中。
在液體微環(huán)境之中，酶促物質(zhì)可以通過酶的活性位點(diǎn)，與藕絲纖維素表面的羥基發(fā)生相互作用，從而粘附在蓮藕絲微光纖表面。
而酶促物質(zhì)會被蓮藕絲微光纖捕獲，從而能夠改變蓮藕絲微光纖的表面粗糙度和厚度，這時(shí)收集端探測到的光信號功率也會發(fā)生改變。
其二，基于蓮藕絲微光纖的有源波導(dǎo)特性，課題組設(shè)計(jì)了一款 pH 傳感器。
通過改變?nèi)芤旱?pH 值，就能讓蓮藕絲微光纖的熒光強(qiáng)度發(fā)生可逆性變化。
其原理在于：藕絲的主要成分是纖維素，而在酸性環(huán)境中陽離子的增加，會導(dǎo)致電荷發(fā)生排斥，從而抑制纖維素納米團(tuán)簇分子相互作用之中的非輻射躍遷，從而增強(qiáng)其熒光強(qiáng)度。
在堿性環(huán)境中，纖維素納米團(tuán)簇的分子間的相互作用則會減弱，從而導(dǎo)致熒光強(qiáng)度的降低。
圖 | 相關(guān)論文（來源：Nano Letters）
至此，蓮藕絲微光纖的制備和應(yīng)用均已完成。最終，相關(guān)論文以《用于生態(tài)友好型光波導(dǎo)和生物傳感的蓮花微纖維》（Light-Emitting Microfibers from Lotus Root for Eco-Friendly Optical Waveguides and Biosensing）為題發(fā)在 Nano Letters，楊先光是第一作者兼通訊作者。

參考資料：1.Yang, X., Xu, L., Xiong, S., Rao, H., Tan, F., Yan, J., ... & Li, B. (2023). Light-Emitting Microfibers from Lotus Root for Eco-Friendly Optical Waveguides and Biosensing.Nano Letters, 24(2), 566-575.
運(yùn)營/排版：何晨龍

*博客內(nèi)容為網(wǎng)友個(gè)人發(fā)布，僅代表博主個(gè)人觀點(diǎn)，如有侵權(quán)請聯(lián)系工作人員刪除。