用蓮藕制造納米傳感器？科學家成功提取直徑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，而是暨南大學教授李寶軍團隊、副教授楊先光課題組的一項納米光學新成果。
（來源：Nano Letters）
這種蓮藕絲微光纖，兼具生物相容性高、有源波導損耗極低的特點，能在可見光范圍之內實現(xiàn)無源波導。同時，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)域的生物傳感應用。
它不僅能展現(xiàn)出固有的熒光效應，并能實現(xiàn)耦合光的波導效應，這些獨特性質讓單絲監(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 值探測和細菌活性檢測。
同時，這些特性也為發(fā)展環(huán)保型多路生物傳感技術做出了積極貢獻。
圖 | 楊先光（來源：楊先光）
就其應用前景來說：
其一，能夠促進生物傳感技術的發(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域的重要組件。
將其用于生物體之內，可以監(jiān)測不同環(huán)境條件下的生理指標比如 pH 值等，從而為醫(yī)學診斷和健康監(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，例如細菌活性檢測。這對于環(huán)境監(jiān)測和水質安全具有重要意義，有助于及早發(fā)現(xiàn)并應對潛在的環(huán)境問題。
其三，能夠促進光學器件的創(chuàng)新。
蓮藕絲微光纖的波導特性，為光學器件帶來了新的可能性，包括助力開發(fā)新型光學傳感器、波導調制器等，進而用于通信、成像和其他光學應用領域中。
其四，能夠用于生物醫(yī)學工程。
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備，從而在組織工程和藥物輸送等方面發(fā)揮作用。
同時，本次提取的蓮藕絲微光纖直徑均勻、表面光滑幾乎無光學缺陷，在不同波長激光照射下顯示出明顯的紅、綠、藍熒光，并表現(xiàn)出穩(wěn)定的熒光強度。
這種熒光信號可以沿著蓮藕絲微光纖的軸向傳輸，實現(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器件。

（來源：Nano Letters）
而楊先光課題組的長遠目標，是打算把藕絲光學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)境進行探測，同時還需要監(jiān)測胃液幽門螺桿菌的變化。
為了實現(xiàn)這一目標，他們打算在模擬胃液微環(huán)境中，同時獲取有源波導和無源波導的光信號，以便實現(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將課題選在一塊蓮藕片上？對此他表示，在現(xiàn)代生物物理學和生物醫(yī)學中，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，也可能是細胞反應的生物學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/納米光學生物傳感器已經(jīng)成為強大的工具。
基于微/納米光纖的光學生物傳感器，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、半導體或金屬材料的，并不完全適合于生物相關的環(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，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，信號容易發(fā)生交叉干擾，導致靈敏度低。
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、而且呈螺旋結構，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地抽取出目標纖維。

（來源：Nano Letters）
而在微納米尺度實現(xiàn)解螺旋更是困難重重。然而，該團隊先是研究蓮藕復絲整整兩年之久，后又通過三個月的不懈攻克，成功摸索出化學輔助物理分離的創(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，他們通過反復使用強堿溶液和去離子水，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，他們將抽取出來的蓮藕絲束，在質量濃度為 20g/L 的氫氧化鈉水溶液中浸泡兩小時，然后利用光纖將蓮藕絲轉移到干凈的玻片上，反復 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）
再利用精密度達到 50 納米的光纖調節(jié)架，將蓮藕絲微光纖分離出來，此時的蓮藕絲微光纖具有螺旋式的結構。
隨后，再對蓮藕絲微光纖進行形貌表征。即先將蓮藕絲微光纖轉移到干凈的硅片上，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整為 20KV，這時利用二次電子****，通過高真空環(huán)境下 3.5K 倍鏡進行顯微觀察，借此得到蓮藕絲微光纖的微觀表面結構。
顯微鏡下的蓮藕絲微光纖呈現(xiàn)出一維柱形結構，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特性和有源波導特性。在不同的位置上，課題組利用光纖分別將紅、綠、藍三種顏色的激光，耦合進入蓮藕絲微光纖之內進行傳輸。
由于蓮藕絲微光纖的折射率遠大于空氣折射率，因此這種設計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度，實現(xiàn)了無源光波導的光學傳輸。
接著，他們再一次利用光纖，將藍光耦合進入蓮藕絲微光纖之內。由于光致發(fā)光的過程，會導致蓮藕絲微光纖產(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)過顯微分光光度計的物鏡、濾光片、狹縫和光柵處理之后，這時帶有光譜信息的光，得以到達探測器并能完成光譜采集。
借此可以實現(xiàn)有源波導的光學傳輸，也為進一步研究光波導特性提供了關鍵數(shù)據(jù)。
基于蓮藕絲微光纖設計細菌傳感器和 pH 傳感器

最后，基于蓮藕絲微光纖的無源波導特性和有源波導特性，該團隊展示了兩項應用。
其一，基于蓮藕絲微光纖的無源波導特性，課題組設計了一款細菌傳感器。
在細菌和細胞的凋亡過程中，細菌細胞膜的通透性的改變，會導致酶促物質逐漸從細菌細胞內部，釋放到周圍的液體微環(huán)境中。
在液體微環(huán)境之中，酶促物質可以通過酶的活性位點，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特性，課題組設計了一款 pH 傳感器。
通過改變溶液的 pH 值，就能讓蓮藕絲微光纖的熒光強度發(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，會導致電荷發(fā)生排斥，從而抑制纖維素納米團簇分子相互作用之中的非輻射躍遷，從而增強其熒光強度。
在堿性環(huán)境中，纖維素納米團簇的分子間的相互作用則會減弱，從而導致熒光強度的降低。
圖 | 相關論文（來源：Nano Letters）
至此，蓮藕絲微光纖的制備和應用均已完成。最終，相關論文以《用于生態(tài)友好型光波導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.
運營/排版：何晨龍

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