基于光纤的SPR适配体传感器，用于炎症生物标志物体外检测
2022-08-06 17:00:16   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学精密仪器与光电子工程学院栗大超教授和王日东副教授课题组开发了一种基于光纤的表面等离子体共振（surface plasmon resonance，SPR）生物传感器，其表面上修饰DNA适配体，该适配体对两种典型的炎症生物标志物C反应蛋白（C-reactive protein，CRP）和心肌肌钙蛋白I（cardiac troponin I，cTn-I）具有特异性。此外，该生物传感器还可以通过固定相应的特定DNA适配体来检测其他生物标志物。通过与微型光谱分析设备集成，所开发的传感器可用于构建便携式仪器，为心血管疾病（cardiovascular disease，CVD）患者提供即时检测（point of care testing，POCT）。

基于光纤的SPR传感器

随着世界人口的快速老龄化，CVD正在成为主要死因之一。超声和计算机断层扫描等成像方法因为具有滞后性，可能不适用于CVD的早期诊断，而CVD相关的炎症生物标志物【（如CRP、cTn-I、脑钠尿肽（brain natriuretic peptide，BNP）和白细胞介素】检测可能是早期诊断CVD的一种有效方法，因为某些炎症生物标志物的水平可以及时反映CVD的风险。许多用于CVD相关炎症生物标志物检测的生物传感器，包括电化学传感器、荧光光谱传感器和比色传感器，已经被开发出来。虽然这些策略可以实现高灵敏度和低检测限，但不可避免的缺陷是，这些生物传感器都需要化学修饰的标记物将炎症生物标志物的浓度转换为可读信号，这增大了检测操作的复杂程度。此外，不适当的存储条件可能会导致这些修饰的标记物失效，从而影响传感器的可靠性。

表面等离子体共振（SPR）生物传感器是一种无标记定量技术，在CVD的早期检测中具有优势。然而，商业化的棱镜耦合式SPR生物传感器由于体积庞大，不适用于POCT装置。基于光纤的SPR生物传感器采用光纤传输表面等离子体的激发光和反射光，大大降低了传感器的尺寸和制造成本。此外，集成的LED光源和显微光谱仪可以取代基于光纤的SPR生物传感器中笨重的测试设备，这可以促进便携式SPR生物传感在现场临床CVD诊断中的应用。

为了实现对炎症生物标志物的特异性检测，有必要在基于光纤的SPR传感器表面上修饰特定的生物识别接收器。抗体被广泛用作生物识别接收器，可实现高灵敏度和低检测限。然而，昂贵的合成成本、脆弱的生物活性、固定的亲和力等缺点限制了抗体在光纤SPR传感器中的应用。DNA适配体具有生产成本更经济、亲和力可调、修饰过程更简单等优点，可能有助于突破抗体的限制。此外，与抗体相比，大多数DNA适配体具有相同的化学基团。因此，为不同的DNA适配体设计类似的修饰和检测过程是可行的，这极大地提高了针对不同CVD标志物检测开发适配体传感器的效率。

为此，天津大学的研究人员开发了一种用于CVD相关炎症生物标志物检测的非标记定量、基于光纤的SPR生物传感器。该生物传感器的制造过程和其表面上的DNA适配体修饰过程如下图所示。将相应的最佳浓度DNA适配体固定在传感器表面，实现了CRP和cTn-I的高度特异性检测。CRP和cTn-I的检测限分别为1.7nM（0.204μg/mL）和2.5nM（57.5ng/mL）。

基于光纤的SPR生物传感器的制造及整个检测系统装置

SPR生物传感技术的检测原理在于区分传感器表面附近的折射率（refractive index，RI）变化。适配体和生物标志物的结合将导致传感器表面附近的RI增加，从而导致SPR波长红移。因此，有必要在化学修饰之前评估所设计的SPR生物传感器对RI变化的响应。

SPR生物传感器的测量原理

此外，选择性和重复性实验的结果初步证明了这种SPR传感器在复杂基质中的生物传感能力。由于这种方法的普遍性，通过研究人员开发的生物传感器可以测量更多与CVD相关的生物标志物。

SPR生物传感器的选择性和重复性实验

需要注意的是，适配体的表面负载密度严重影响传感器的响应，这可能归因于缺乏结合位点、空间位阻、电磁和热力学效应。虽然适配体的表面密度可以通过改变浓度进行调整，但由于溶液中的分子动力学，适配体不可避免地会部分挤满传感区域。另一个限制是，检测窗口可能无法满足生物医学检测要求，因为研究人员提出的生物传感器的传感性能在很大程度上取决于适配体的亲和力和生物靶标的分子量。此外，还需要进一步评估该传感器在真实血清下的实用性。

目前，研究人员正在尝试将可编程DNA框架引入SPR生物传感器，以更精确地控制适配体的表面分布，并在纳米尺度下实现一些新的生物传感功能。此外，研究人员也正在尝试引入不同亲和力的适配体混合物，以调整传感器的检测窗口，并对二维材料和贵金属纳米颗粒进行改性，以提高传感器的灵敏度。同时，研究人员也尝试将所设计的生物传感器与微流体系统和微型光谱检测器相结合，以促进该生物传感器作为CVD诊断的集成式POCT装置的实际应用。在未来的研究中，研究人员将在人血清下测试优化后的传感器，以进一步证明其实用性。

论文信息：https://doi.org/10.3390/mi13071036

延伸阅读：

《即时诊断应用的生物传感器技术及市场-2022版》

《医疗诊断领域的人工智能-2020版》