摘要
空芯反谐振光纤(Hollow-coreanti-resonantopticalfiber,HARF)是一种新型的微结构光纤。这种光纤有很宽的可见光通光窗口，并且具有单模传输、接近零色散、高激光损伤阈值、低非线性效应等优势。更重要的是，其特殊的几何结构将光严格限制在纤芯传输，这大大增强了光与物质之间的相互作用。因此，HARF特别适合应用于生物传感领域。本论文主要利用空芯反谐振光纤特有的光学性质，结合金纳米颗粒(AuNPs)的表面等离激元共振特性，设计并构建了一种超高灵敏度的生物传感器，并将其用于肿瘤相关外泌体的检测及乳腺癌患者的血液活检。 主要包括以下工作: (1)空芯反谐振光纤的特殊导光机制及模拟分析研究。分别利用anti-resonantreflectingopticalwaveguide(ARROW)模型和泄漏模理论解释了空芯反谐振光纤传输光波的原理。使用有限元分析法对光纤的基模光场分布进行模拟并计算了限制损耗。结果显示所用光纤可以将光有效地限制在纤芯内，而且具有极低的传输损耗，为传感应用提供基础。 (2)空芯反谐振光纤传感器的构建。首先介绍了传感器的传感机理，利用盐老化法制备了AuNPs-DNA传感元件，并将其固定与光纤内壁。成功制备了光纤传感界面后，对传感器的传输光谱进行了测试。然后使用有限元分析法对光纤纤芯内部修饰金纳米颗粒以及充入液体后的基模光场分布进行模拟并计算限制损耗。结果表明，制作的传感器仍然保持了光纤的微结构。不管是空气芯还是液芯传感器均可将光有效地限制在纤芯内传播，在可见光波段具有较宽的通光窗口且损耗较小，可用于传感检测。 (3)空芯反谐振光纤传感器对乳腺癌细胞外泌体的传感检测。培养乳腺癌细胞，并提取外泌体。将外泌体分散液充入传感器并进行荧光检测，发现传感器对外泌体的响应时间为15min,且具有典型的剂量依赖关系。根据计算，外泌体的检测限(LOD)为7.56个/μL，比传统的酶标仪检测方法低约两个数量级。传感器对不同类型的乳腺癌细胞具有不同的响应，显示很高的选择性。此外，传感器还具有特异性强、稳定性高、寿命长等优势。 (4)空芯反谐振光纤传感器用于乳腺癌病人血浆外泌体检测及药物治疗效果的评估。利用构建的光纤传感平台对乳腺癌病人血浆外泌体进行了检测，结果证明，三名患者的血浆中的外泌体浓度为85.4、121.7、138.9个/μL，远远高于正常人血样，通过MUC1蛋白ELISA定量方法验证了该结果的准确性。另外，本论文还研究了药物处理乳腺癌细胞过程中外泌体的变化。将乳腺癌细胞同抗肿瘤药物共培养后，对分离纯化的外泌体进行检测。结果表明，抗肿瘤药物阿霉素（DOX）与和厚朴酚（honokiol）单独或者两者同时使用可有效抑制乳腺癌细胞中MUC1蛋白的表达，此结果与MUC1蛋白ELISA定量结果相符。 综上，本工作报告了一种用于快速、灵敏、稳定地定量乳腺癌患者血液样本中外泌体的空芯反谐振光纤传感器。它结合了空芯反谐振光纤、金纳米颗粒、DNA识别适体的优势，显示出极强的传感性能，并且能实现对乳腺癌细胞的治疗监测。这项工作为基于外泌体的液体活检提供了一个强大的平台，非常有潜力用于乳腺癌的早期诊断和治疗结果的预测。
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