组成图示
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传感器类型
其他（水凝胶光波导光谱生物传感器）
检测对象
山羊抗小鼠IgG（goat anti-mouse IgG, a-IgG，150 kDa）；样品基质：PBST缓冲液（PBS加0.05% Tween 20）
检测原理
该传感器为无标记折射率检测。He-Ne激光经棱镜以TM偏振入射到金/水凝胶界面，倏逝场同时激发表面等离子体（SP）和水凝胶波导（HW）模式。小鼠IgG捕获抗体共价固定于羧化PNIPAAm水凝胶中，当样品中的山羊抗小鼠IgG与捕获抗体结合时，水凝胶内蛋白质量增加，导致局部折射率nh上升。由于溶胀水凝胶本身作为光波导，结合区域与探测电磁场高度重叠，HW共振角随nh变化发生位移；在固定角度下，反射率R随之改变，ΔR随分析物浓度增加而增大。该体系无酶或荧光放大，主要依靠三维水凝胶的高结合容量和低阻尼波导模式提高分辨率；大分子IgG结合受扩散/质量传输限制。
检测灵敏度
LOD: 10 pM；相关系数: HOWS R^2 = 0.9913 (n=4)、SPR R^2 = 0.9961 (n=4)；折射率灵敏度: HOWS S = 81° RIU−1、SPR S = 106° RIU−1；反射率斜率: HOWS ∂R/∂nb = 78 RIU−1、SPR ∂R/∂nb = 5.6 RIU−1
效应效果
与硫醇SAM常规SPR相比，HOWS的HW共振半高宽约0.1°，SP约5.1°，品质因数约810对20.8，折射率分辨率约1.3×10−6 RIU对1.3×10−5 RIU，提高约10倍。免疫分析中，HOWS检测a-IgG的LOD为10 pM，比SPR低5倍；未修饰IgG对照表面在6和60 nM a-IgG下无可测信号。水凝胶捕获a-IgG约36 ng mm−2，硫醇SAM约2.6 ng mm−2；固定IgG覆盖约16–20 ng mm−2对1.7 ng mm−2。高容量基质饱和较慢，200 min后斜率降低50倍，SPR约17 min。作者认为HOWS可抑制溶胀交叉敏感，适用于低分子量分析物或低亲和力捕获分子。
传感器的构成
- 基底/换能器：玻璃载片涂金层（glass slide/gold, 37–45 nm），支撑表面等离子体与水凝胶波导模式。
- 界面偶联层：硫醇-苯基酮自组装单分子层（thiol-benzophenone SAM），为水凝胶提供UV光交联位点。
- 结合/波导层：羧化PNIPAAm三元共聚物水凝胶（NIPAAm/甲基丙烯酸/4-甲基丙烯酰基苯基酮），溶胀后微米厚，作为结合基质和光波导。
- 识别元件：小鼠IgG捕获抗体（mouse IgG catcher），经TFPS/EDC激活羧基后胺偶联固定于水凝胶。
- 封闭剂：乙醇胺（ethanolamine, 1 M, pH 8.5），封闭未反应TFPS酯基。
- 样品流路：10 μL流动池与PBST缓冲液，流速200 μL/min，输送分析物。
- 光学读出：He-Ne激光、LASFN9棱镜、光电二极管与锁相放大器，测量反射率变化。
中文摘要
报道了一种基于水凝胶光波导光谱（HOWS）测量结合诱导折射率变化的新型无标记生物传感器。该传感器采用表面等离子共振（SPR）光学装置实现：将羧化聚(N-异丙基丙烯酰胺)（PNIPAAm）水凝胶薄膜附着于金属表面，并通过胺偶联化学修饰蛋白捕获分子。微米级厚度的溶胀水凝胶同时作为结合基质和光学波导。与基于硫醇自组装单分子层（SAM）的常规SPR生物传感器相比，HOWS因低阻尼和较大溶胀比，在折射率测量分辨率上提高约一个数量级，并结合容量更大。模型免疫分析实验表明，HOWS可检测分子量150 kDa的IgG分子，检出限为10 pM，比硫醇SAM SPR低5倍。对于高容量水凝胶基质，亲和结合受质量传输限制。因此，作者预期HOWS对低分子量分析物或采用较低亲和力捕获分子的检测可进一步提高检出限。
英文摘要
A novel label-free biosensor based on the measurement of binding-induced refractive index changes by hydrogel optical waveguide spectroscopy (HOWS) is reported. This biosensor is implemented by using a surface plasmon resonance (SPR) optical setup in which a carboxylated poly(N-isoproprylacrylamide) (PNIPAAm) hydrogel film is attached on a metallic surface and modified by protein catcher molecules through amine coupling chemistry. The swollen hydrogel with micrometer thickness serves both as a binding matrix and optical waveguide. We show that compared to regular SPR biosensor with thiol self-assembled monolayer (SAM), HOWS provides an order of magnitude improved resolution in the refractive index measurements and enlarged binding capacity owing to its low damping and large swelling ratio, respectively. A model immunoassay experiment revealed that HOWS allowed detection of IgG molecules (molecular weight 150 kDa) with a 10 pM limit of detection that was 5-fold lower than that achieved for SPR with thiol SAM. For the high capacity hydrogel matrix, the affinity binding was mass transport limited. Therefore, we envisage that HOWS will provide further improved detection limit for low molecular weight analytes or for assays employing lower affinity catcher molecules.