集成介电泳纳米陷阱用于高灵敏度的随机免疫传感

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Integrated dielectrophoretic nanotraps for highly-sensitive stochastic immuno-sensing

检测低浓度蛋白质的介电泳纳米陷阱电化学传感器研究

　　本研究提出了一种基于电场诱导的纳米级电导变化的高灵敏度生物传感方法，利用纳米间隙电极（nanogap electric device）实现对低浓度蛋白质的快速、定量检测。这种新型检测平台在无目标扩增技术（如PCR）的情况下，依然能够达到极低的检测限，展现了其在生物传感领域的巨大潜力。研究团队通过将纳米间隙与介电泳（dielectrophoresis, DEP）技术相结合，开发出了一种名为“集成介电泳纳米陷阱”（Integrated Dielectrophoretic Nanotrap, IDN）的传感装置，其性能在多个实验中得到了验证，并在实际应用中表现出优越的灵敏度和选择性。

蛋白质作为生物体内重要的功能分子，在疾病诊断、生物机制研究和环境监测等领域具有广泛的应用价值。然而，传统的蛋白质检测方法通常依赖于基因扩增技术，例如PCR，这使得它们在检测低浓度蛋白质时存在局限性。由于蛋白质不具备基因那样的扩增能力，因此在低浓度检测中面临较大的挑战。本研究旨在克服这一限制，通过改进信号转换机制，提高检测灵敏度，从而实现对极低浓度蛋白质的准确识别。

在实验设计中，研究人员采用了两种类型的纳米颗粒：金纳米颗粒（AuNPs）和磁性纳米颗粒（Magnetic Particles, MPs）。AuNPs因其良好的导电性、化学稳定性以及与生物分子（如抗体）之间的高亲和力而被选作探针。MPs则被用于结合特定的抗体，以实现对目标蛋白质的捕获和富集。这两种纳米颗粒在实验中分别承担了不同的功能：AuNPs用于信号转换，而MPs则用于生物识别过程。通过溶液相的夹心免疫反应（sandwich immunoassay），目标蛋白质被同时捕获到两种纳米颗粒上，形成稳定的复合结构。随后，利用DEP技术将AuNPs引导至纳米间隙电极，从而实现信号的放大和检测。

实验结果显示，基于IDN的检测方法能够实现对流感病毒H1N1亚型血凝素（Hemagglutinin, HA）的检测限（Limit of Detection, LOD）约为30 aM，这远低于传统方法如侧流免疫测定（Lateral Flow Assay, LFA）、酶联免疫吸附测定（Enzyme-Linked Immunosorbent Assay, ELISA）和实时聚合酶链反应（Real-Time Polymerase Chain Reaction, RT–PCR）的检测限。在测试病毒裂解液时，IDN的检测能力进一步得到验证，表现出优于传统方法的灵敏度。此外，研究还发现，随着检测时间的增加，LOD逐渐降低，表明在较短时间内即可实现对低浓度目标的检测。例如，在10分钟内，IDN能够检测到达到飞摩尔（fM）级别的HA，这为快速诊断提供了新的可能性。

在实验过程中，研究人员对不同浓度的HA进行了多次测试，并分析了不同反应时间对检测结果的影响。结果表明，反应时间越短，检测信号的稳定性越差，这可能是由于抗原-抗体结合过程未完全进行所致。然而，当反应时间达到10分钟时，检测信号已足够清晰，能够区分低浓度HA与空白对照。这一发现表明，IDN不仅具有高灵敏度，还能够在较短时间内完成检测，从而提高了检测效率。

为了进一步验证IDN的广泛适用性，研究团队还测试了其他类型的蛋白质，如流感病毒H3N2亚型的HA和肺炎链球菌（Streptococcus pneumoniae）的Pep27蛋白。实验结果表明，IDN能够有效区分这些目标蛋白与其他非目标蛋白，且检测限均达到亚飞摩尔级别。这说明该技术不仅适用于流感病毒的检测，还可以扩展到其他病原体或生物标志物的检测，具有较高的通用性。

此外，研究还涉及了实际样品的检测，例如人工鼻腔液中的HA。通过使用商业拭子提取样本，并将其与IDN结合进行检测，研究人员验证了该方法在模拟临床样本中的适用性。实验结果显示，未添加HA的样品检测信号低于10%，而添加HA的样品检测信号显著升高，达到了预期水平。这表明IDN在实际应用中具有较高的特异性和灵敏度，能够准确识别目标蛋白的存在。

在信号转换过程中，IDN利用纳米间隙电极的导电变化来反映目标蛋白的浓度。当AuNPs被DEP引导至电极间隙时，其导电性显著增强，从而形成可测量的电流信号。这种信号的增强不仅依赖于AuNPs的捕获效率，还与纳米间隙的尺寸密切相关。实验发现，更小的纳米间隙能够提供更高的信号放大效果，从而进一步降低LOD。因此，优化纳米间隙的尺寸是提高检测灵敏度的重要策略之一。

除了提高灵敏度，研究还关注了IDN在选择性方面的表现。通过测试不同HA亚型的检测结果，研究人员发现IDN能够有效区分目标HA与其他类似结构的非目标蛋白，这主要归功于其基于抗体特异性识别的设计。这种高选择性对于复杂生物样本的检测尤为重要，因为实际样品中往往含有多种干扰物质。相比之下，传统方法如LFA和ELISA在区分不同亚型时存在一定的困难，而IDN则能够通过其独特的信号转换机制实现精准识别。

本研究的另一个重要发现是，IDN的检测性能不受溶液化学条件的限制，只要通过简单调整反应体系，就可以实现对不同蛋白质的检测。这种灵活性使得IDN在多种应用场景中具有广泛的应用前景，例如在快速诊断、环境监测和分子生物学研究等领域。此外，由于IDN不需要复杂的预处理步骤，其操作简便，适合在资源有限的环境中使用。

综上所述，本研究提出了一种基于DEP和纳米间隙电极的高灵敏度生物传感方法，能够有效检测低浓度蛋白质，并在多种应用场景中展现出优异的性能。通过优化纳米间隙的尺寸和提高信号转换效率，研究人员成功实现了对HA的亚飞摩尔级检测，并验证了该技术在检测其他蛋白质方面的广泛适用性。这一成果为未来生物传感技术的发展提供了新的思路，并有望在临床诊断和环境监测等领域发挥重要作用。