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(bào)道，近期，美國羅格斯大學(xué)（Rutgers University）的研究人員提出了一個(gè)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(jì)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(dòng)電壓時(shí)，兩個(gè)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(gè)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(shí)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(jì)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(shí)，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(shí)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(shí)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(shí)，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(dòng)力學(xué)的研究和測量。

審核編輯：郭婷