快速、超灵敏的小分子检测对健康管理和多种疾病的生物标志物检测具有重要意义。11月7日，华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授团队携手量准公司黄丽萍博士团队以及南京医科大学第一附属医院秦志国博士团队开发了一款基于匀光膜增强的超表面纳米等离子体（DFE-MSPR）芯片的现场快速检测设备，通过智能手机应用控制，实现了对血液中小分子睾酮和25-羟基维生素D3的超灵敏检测，可广泛应用于健康管理、人体运动监测和早期诊断等领域。该研究成果以名为“Sample-to-answer point-of-care testing platform for quantitative detection of small molecules in blood using a smartphone-and microfluidic-based nanoplasmonic biosensor”发表于《Chemical Engineering Journal》期刊（DOI: 10.1016/j.cej.2024.157495）。
人体中的小分子在代谢、生长、发育和生殖等方面发挥着重要的调节作用。目前，检测小分子的技术有液相色谱-串联质谱、高效液相色谱、酶联免疫吸附试验（ELISA）和表面等离子体共振（SPR）。然而，这些方法大多存在成本高、需要实验室操作、操作步骤复杂、检测灵敏度有限等缺点。SPR技术由于其无标记、实时和超灵敏的检测优势，具有广泛的应用，特别是在大分子相互作用方面。然而，传统的SPR技术芯片表面为二维平面结构，需要额外的光学耦合元件才能检测分析物，这就导致了设备体积大、成本高的问题。因此，开发出一种成本低、便携式、实时、无标记的纳米等离子体生物传感器对健康管理或临床早期诊断是非常有必要的。
超表面纳米等离子体（MetaSPR）芯片拥有纳米杯状阵列结构，无需光学耦合元件，对金属表面电介质的折射率变化非常灵敏，且相比于传统SPR芯片，其表面的三维结构使得信号增大了千倍，成本降低了20倍。因此，MetaSPR芯片可实现便携式、低成本、实时、动态检测分析物。然而，小分子的分子质量较小，当小分子与芯片表面的配体结合时引起的折射率变化较小，最终导致检测结果不够理想。
金纳米颗粒（AuNPs）可以作为与MetaSPR芯片结合的重要扩增工具，主要是因为其优异的物理化学性质，包括高分子质量、生物相容性和大比表面积。通过样品中的小分子与芯片表面固定的抗原免疫竞争结合AuNPs表面抗体的方法对小分子进行超灵敏检测。当溶液中的小分子浓度越高，结合在芯片表面的AuNPs标记的抗体越少，反应信号越低。同时，受匀光膜概念的启发，所设计的扩散颗粒呈球形，其功能类似于凸透镜。当光穿过这些粒子时，通过折射和反射将光聚焦在特定的角度，最终增强了光与MetaSPR芯片的耦合，从而放大了检测信号。微流控技术指的是使用微管道处理或操纵微小流体的系统使得仪器小型化和便携化。微流控技术因其高灵敏度、简化的光学系统、低仪器成本、便携性、最大限度地减少昂贵样品的消耗以及增强实时监测信号而引起越来越多的关注。因此，研究团队将匀光膜信号放大的MetaSPR芯片集成金颗粒增强试剂和微流控技术，形成便携式、低成本的POCT检测平台，用于超灵敏、超快速的小分子检测（图1）。
图1. 用于血液中小分子检测的集成了DFE-MSPR芯片卡的POCT平台示意图。(A)纳米杯阵列芯片的制作原理图。(B)由芯片卡、检测元件、泵和智能手机组成的POCT平台，实现实时定量检测。(C)基于竞争性免疫分析法检测小分子的原理示意图
该技术采用竞争免疫分析法，实现同时检测血液样本中的睾酮和25-羟基维生素D3,检测限分别为0.36 pg/mL和1.05 pg/mL， 灵敏度比ELISA高出100至1000倍，检测时间比ELISA快14.3倍（图2）。这一创新POCT平台为健康管理和疾病早期诊断提供了超敏、快速、可再生、多功能和实时定量分析的新工具，有望扩展到更多领域，为个体健康和疾病管理带来革命性变化。相关研究成果已经成功转化为量准公司POCT检测产品 WeSPR Mini 和 Tini (图3).
图2. 在POCT平台上使用智能手机控制的多联小分子检测。(A)基于纳米生物传感器的多联检测示意图。(B)响应信号与睾酮和25-羟基维生素D3浓度关系的柱状图。(C)缓冲液中睾酮和25-羟基维生素D3多联检测的标准曲线。(D)真实全血样品中不同浓度睾酮和25-羟基维生素D3检测的柱状图。(E)全血中睾酮和25-羟基维生素D3多联检测的标准曲线。（n = 3）
图3.量准公司POCT检测产品WeSPR Mini （左）和WeSPR Tini (右)
华中科技大学生命科学与技术学院樊洪利博士生、李睿博士生为论文的共同第一作者，华中科技大学生命科学与技术学院的刘钢教授、量准公司黄丽萍博士，南京医科大学第一附属医院秦志国博士为该论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、以及湖北省JD项目等基金的资助。该研究联合华中科技大学、南京医科大学第一附属医院、量准（武汉）生命科技有限公司等国内产、学、研多家单位共同参与研发。
论文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157495
