超灵敏太赫兹环形超表面生物传感器在胰腺癌早期诊断中的突破性应用

这篇研究报道了一种基于环形超表面（toroidal metasurface）的太赫兹（THz）生物传感器，通过金纳米颗粒（AuNPs）信号放大技术，实现了对胰腺癌标志物CA125、CA199和CEA的超灵敏检测（1-1000 pg mL?1）。该传感器灵敏度达97.6 GHz/RIU，具有高线性响应（R2>0.95）和非标记检测优势，为胰腺癌早期筛查提供了革新性技术方案。

　　

摘要

胰腺癌5年生存率不足10%，主要归因于早期诊断困难。传统血清标志物如CA125、CA199和CEA在疾病早期表达量极低，现有检测方法难以实现痕量定量。本研究开发的环形太赫兹超表面生物传感器，通过抗原-AuNPs复合探针和优化表面功能化策略，将灵敏度提升至97.6 GHz/RIU，在1-1000 pg mL^?1范围内呈现显著浓度依赖性频移，为胰腺癌早期筛查带来突破。

1 引言

胰腺癌具有"三高三低"特征：发病率、复发率和死亡率持续升高，而早期诊断率、有效治疗选择和预后改善有限。CA199是目前最敏感的诊断指标，CA125对晚期转移病例具有提示价值，CEA则提供辅助诊断信息。太赫兹技术（0.1-10 THz）因其低光子能量和非电离特性，可匹配生物分子振动能级，但面临波长与靶标分子尺寸不匹配的挑战。环形偶极子（TD）产生的涡旋状电磁约束场，使品质因数提升两个数量级，场增强超10³倍，为单分子吸附检测提供可能。

2 实验部分

2.1 超材料生物传感器设计

传感器采用正交分布的I型切割线（CW）和四个C型开口环谐振器（SRR）组成，单元周期P=90 μm。顶部金层电导率4.56×10⁷ S m^?1，石英基底介电常数3.75，最终器件包含7,744个周期单元。

2.2 仿真结果

在1.171 THz处观察到环形模式吸收峰，电流分布显示C型金属环内反向振荡电流形成闭合环形偶极子。折射率灵敏度分析显示，当分析物折射率从1.0增至2.0时，共振频率红移达97.6 GHz/RIU；厚度敏感性测试表明5-40 μm范围内频移呈线性增长后渐趋稳定。

2.3 传感器修饰流程

通过11-巯基十一烷酸（MUA）自组装形成单分子层，EDC/NHS活化羧基后固定单克隆抗体，最后用牛血清白蛋白（BSA）封闭非特异性位点。功能化后传感器共振频率呈现阶梯式红移，为靶标蛋白检测建立基线。

3 结果与讨论

3.1 CA125检测

在1-1000 pg mL^?1范围内产生42.8 GHz动态频移，拟合方程Δf=11.2lgC+5.3（R²=0.95），灵敏度11.2 GHz lg^?1(pg mL^?1)，可检测胰腺癌早期腹膜微转移。

3.2 CA199检测

45.2 GHz频移跨度，线性关系Δf=11.4lgC+6.1（R²=0.99），灵敏度11.4 GHz lg^?1(pg mL^?1)，对早期胰腺癌血清标志物变化高度敏感。

3.3 CEA检测

43.5 GHz频移响应，拟合曲线Δf=12.9lgC+7.2（R²=0.98），灵敏度12.9 GHz lg^?1(pg mL^?1)，为术后辅助治疗提供决策依据。

4 结论

该研究通过AuNPs介导的局域电磁场增强，实现了胰腺癌标志物的超灵敏检测，动态范围覆盖1-1000 pg mL^?1。未来可拓展多标志物同步检测，为癌症早期筛查提供新策略。