利用納米阱陣列阻抗傳感器實(shí)現(xiàn)皮摩爾水平的蛋白質(zhì)無標(biāo)記傳感

蛋白質(zhì)、細(xì)胞因子和核酸的檢測與分析在廣泛的應(yīng)用實(shí)踐中發(fā)揮著關(guān)鍵作用，其中包括癌癥的早期診斷、疫苗的發(fā)現(xiàn)，甚至是用于確定致命傳染?。ㄈ缧鹿诓《荆⊿ARS-CoV-2））感染的血清學(xué)分析?；谟H和力的生物傳感器，例如蛋白質(zhì)陣列技術(shù)，是進(jìn)行蛋白質(zhì)組學(xué)分析的有用平臺。目前，蛋白質(zhì)微陣列已被證實(shí)可用于基因、轉(zhuǎn)錄組蛋白質(zhì)和抗體的研究和分析。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，美國羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的研究人員提出了一個由低噪聲鎖定放大器組成的前端模擬電路接口，用于開發(fā)一種便攜式讀出系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過使用尺寸約為35平方厘米的納米阱（nanowell）陣列阻抗傳感器，能夠可靠地檢測低至0.1%的阻抗變化，從而實(shí)現(xiàn)皮摩爾水平的蛋白質(zhì)無標(biāo)記傳感。相關(guān)研究成果以“A portable analog front-end system for label-free sensing of proteins using nanowell array impedance sensors”為題，發(fā)表于Scientific Reports期刊。

納米阱陣列阻抗傳感器

納米阱陣列阻抗傳感器的設(shè)計如圖1c所示。當(dāng)傳感器浸在電解液環(huán)境中并施加驅(qū)動電壓時，兩個電極之間會形成離子電流路徑。探針抗體被物理吸附在微阱中。兩個電極之間的阻抗隨著靶蛋白與固定在微阱中的抗體的結(jié)合而增加，如圖1e所示。阻抗增量的幅度與輸出電流的變化成正比，并與樣品中靶蛋白的濃度有關(guān)。此外，該傳感器還受益于樣品的高鹽濃度。鹽濃度越高，電流越大，則靶蛋白與抗體結(jié)合時對應(yīng)的阻抗變化越大。

圖1 （a）便攜式電子讀出系統(tǒng)示意圖；（b）所設(shè)計的鎖相放大器定制PCB實(shí)物照片，包括具有小尺寸（80 mm × 43.6 mm）焊板的板載ADC；（c）納米阱陣列阻抗傳感器示意圖；（d）納米阱陣列阻抗傳感器實(shí)物照片；（e）納米阱陣列阻抗傳感器原理：抗體和靶蛋白結(jié)合阻斷電流路徑，導(dǎo)致阻抗增加；（f）5 × 5納米阱陣列顯微圖。

蛋白質(zhì)檢測

為了驗(yàn)證所提出的電子讀出系統(tǒng)的可行性，研究人員進(jìn)行了蛋白質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)方案如圖2a所示。首先將20μl 1 × PBS溶液添加到空的納米阱傳感器中，可以看到阻抗突然下降（圖2b）。待響應(yīng)穩(wěn)定下來之后，向納米阱傳感器中繼續(xù)添加3μl PBS（圖2c）。待響應(yīng)再次穩(wěn)定后，向傳感器中加入3μl抗體溶液。此時，由于抗體被吸附到傳感器表面，阻斷了電流路徑，阻抗偏移初始基線后呈指數(shù)增長（圖2d-2e）。隨后，等待約10分鐘，待抗體被充分吸附在傳感器表面后，取出額外的溶液，再次加入20μl PBS（圖2f）。最后，加入3μl待測蛋白質(zhì)溶液進(jìn)行檢測。

圖2 蛋白質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)

雖然該檢測過程所遵循的實(shí)驗(yàn)方案時長設(shè)定為45分鐘，但通過跳過添加PBS的驗(yàn)證步驟，直接將蛋白質(zhì)添加到功能化的傳感器表面，實(shí)際操作可以在10分鐘內(nèi)完成。研究人員使用人/靈長類IL-6單克隆抗體和重組人冠狀病毒SARS-CoV-2刺突糖蛋白S1作為陰性對照。陰性對照實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)方案和分步結(jié)果如圖3所示。蛋白質(zhì)定量試驗(yàn)和陰性對照試驗(yàn)均重復(fù)3次。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果總結(jié)如圖4c中箱型圖所示。

圖3 非特異性蛋白實(shí)驗(yàn)（陰性對照）

圖4 （a）用不同濃度抗體進(jìn)行的抗體吸附實(shí)驗(yàn)中所觀察到的阻抗變化百分比。（b）實(shí)驗(yàn)裝置。（c）PBS中蛋白質(zhì)檢測實(shí)驗(yàn)箱線圖。

綜上所述，該研究提出了一種便攜式、低噪聲電子讀出系統(tǒng)，用于與納米阱陣列阻抗傳感器相結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)蛋白質(zhì)的無標(biāo)記傳感。相關(guān)實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明了該系統(tǒng)具有量化抗體濃度的能力。此外，盡管在實(shí)驗(yàn)中采用了時長較長的檢測方案以確保魯棒性，但在實(shí)際環(huán)境中使用時，該系統(tǒng)能夠在10分鐘的周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)“樣品進(jìn)結(jié)果出”的蛋白質(zhì)快速檢測。另外，除了可以用于蛋白質(zhì)檢測以外，該系統(tǒng)也可用于抗體和蛋白質(zhì)結(jié)合動力學(xué)的研究和測量。

審核編輯：郭婷