组成图示
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传感器类型
其他（多孔硅Bloch表面波光学生物传感器）
检测对象
蛋白酶（protease，枯草杆菌蛋白酶 subtilisin）；样品基质：PBS缓冲液（生物磷酸盐缓冲液）
检测原理
多孔硅Bragg反射器支持Bloch表面波共振模式，其电场在多孔硅/环境介质界面增强。明胶共价填充顶层孔道，作为蛋白酶底物。当蛋白酶（如枯草杆菌蛋白酶）进入孔道并水解明胶肽键时，明胶网络被降解并由空气取代，顶层有效折射率下降。由于表面波模式对顶层光学厚度高度敏感，折射率下降导致共振峰蓝移；初始阶段明胶过量，反应为零级，初始水解速率与酶浓度成正比，因此蓝移幅度可反映酶活性。带边模式电场分布于整体结构，对顶层变化不敏感，但对整体非特异吸附敏感，用作参考进行差分校正，提高选择性。
检测灵敏度
灵敏度斜率: dλ/dn ~295 nm / RIU
效应效果
传感器在PBS对照中冲洗后无净位移，表明抗非特异吸附；酶处理后表面波模式蓝移8 nm，同时带边模式红移15 nm，冲洗后带边恢复、表面波蓝移达31 nm，说明非特异背景可被差分校正。0.007 mg/mL枯草杆菌蛋白酶暴露2 min即可观察到显著蓝移，0.01 mg/mL对应1.8 pmol酶量。多孔开放结构允许酶和产物自由扩散，避免微腔质量传输限制；共振模式较窄，有利于提高分辨率和降低检测限。作者认为该平台可用于实时监测蛋白酶活性及多种生物分子相互作用。
传感器的构成
- 基底/换能器：玻璃载玻片（No.2 coverslip）与BK7棱镜，承载多孔硅多层膜并实现棱镜耦合激发Bloch表面波
- 多孔硅多层膜：高硼掺杂硅片电化学刻蚀形成的周期性多孔硅Bragg反射器，高低孔隙率层交替（高孔隙率75%、低孔隙率44%），形成近红外高反射带和631/632 nm Bloch表面波共振模式
- 表面钝化层：十一烯酸（undecylenic acid）通过氢化硅化反应形成稳定Si-C键，钝化多孔硅表面并抵抗生化条件
- 抗污/封闭层：1-氨基-六(乙二醇)（1-amino-hexa(ethylene glycol)）经NHS/EDC活化接枝，形成乙二醇终止层，抑制蛋白质非特异性吸附
- 识别/底物层：明胶（gelatin）经DSC/DMAP活化共价连接在乙二醇层上并填充多孔硅孔道，作为蛋白酶底物/识别元件
- 信号标记/放大：无外源标记；明胶被蛋白酶水解后孔内空气取代明胶，折射率下降，引起Bloch表面波模式蓝移；带边模式作为参考
- 样品/酶：枯草杆菌蛋白酶（subtilisin）在PBS中作用于明胶
- 读出：棱镜耦合反射光谱仪（Ocean Optics USB2000+）监测反射光谱共振峰位移
中文摘要
本文报道一种基于多孔硅Bloch表面波的光学生物传感器，用于无标记检测痕量蛋白酶活性。该传感器由表面功能化的多孔硅光学结构构成，支持光学Bloch表面模式，提供高灵敏共振光学模式，并使传感层开放接触目标酶。检测基于共价连接在多孔硅孔道内的明胶被蛋白酶水解，导致孔内折射率下降和共振模式蓝移。通过同时监测空间分离的共振光学模式（表面波模式与带边模式），可区分并消除非特异性吸附引起的光学响应。实验采用棱镜耦合反射光谱，在PBS中检测枯草杆菌蛋白酶，观察到酶作用后表面波模式蓝移，冲洗后进一步蓝移；带边模式对整体非特异吸附敏感，可用于差分校正。结果表明该平台可用于实时监测蛋白酶活性及多种生物分子相互作用。
英文摘要
In this article we present an optical biosensor for label-free detection of trace levels of protease activity. The scheme is based on surface functionalized porous silicon optical structures which supports optical Bloch surface modes. The optical structure provides a resonant optical mode for high sensitivity detection and open access of the sensing layer to the target enzyme. Protease detection is based on the digestion of gelatin, covalently attached inside the pore space, resulting in a spectral blue-shift of the optical mode. Monitoring of spatially separated resonant optical modes is used to eliminate optical response from nonspecific adsorption.