哈尔滨工业大学：推出片上微透镜免洗数字生物传感

生命活动的本质，并非静态分子的陈列，而是由无数分子间持续进行的识别、结合与解离所驱动的动态网络。蛋白质之间的相互作用——结合与解离的速率、亲和力的强弱、持续时间的长短——构成了微观下生命物质感知环境、传递


信号


、做出决策的“语法”与“


时钟


”。然而，传统生物


传感技术


在很大程度上仍停留在“终点思维”：等待反应达到平衡，再读取一个累积信号强度。这种范式在分子层面丢失了一个至关重要的信息维度——时间。当靶标分子浓度极低时，扩散限速使得平衡孵育往往需要数小时甚至过夜，而在这漫长等待中，非特异性吸附也可能不断累积，最终淹没本就微弱的特异性信号。这正是传统终点法在低丰度检测中面临的根本困境：灵敏度受限于孵育时长，特异性受限于洗涤效率，二者之间形成了难以调和的矛盾。

动力学分析提供了一条截然不同的路径。它不等待平衡，而是在分子结合发生的当下进行实时追踪——每一个结合事件何时出现、持续多久、以何种方式运动，这些“动态指纹”蕴含着区分特异与非特异相互作用的天然依据。特异性免疫结合通常表现出受限布朗运动特征，而非特异性吸附往往呈现截然不同的驻留时间与运动模式。因此，基于动力学的单分子检测不仅能够在更短时间内反应低丰度事件，更在特异性识别层面提供了一种“无需洗涤即可甄别真伪”的独特能力——这在复杂生物基质中尤为珍贵。

然而，动力学单分子检测长期受制于一个现实瓶颈：要实现单个纳米探针的实时追踪，通常依赖暗场显微镜、表面等离子体共振显微镜或干涉显微术等复杂


光学


系统，不仅设备庞大昂贵，且视场狭窄、通量受限。这种光学依赖性使得动力学检测虽在原理上优势明显，却始终难以从实验室走向临床现场。因此，构建一种既保留时间分辨能力、又具备小型化可行性的新型光学传感体系，成为释放单分子动力学检测临床潜力的关键突破口。

文章概述：

近日，中国科学院深圳先进技术研究院与哈尔滨工业大学的研究团队联合报道了一种基于片上微透镜阵列的动态单结合事件分析平台，为上述瓶颈提供了兼具物理创新与应用价值的解决方案。该平台的核心设计思想是：在芯片层面集成高折射率介质微球阵列，使其充当“片上放大镜”，通过近场光学聚焦与散射信号放大效应，使单个80纳米金颗粒（AuNP）在常规明场显微镜和低数值孔径物镜下即可产生高信噪比的清晰成像。这一物理层面的突破意味着，研究者不再依赖昂贵的高倍物镜与复杂光路即可“看得见”单个纳米探针。

更进一步，该平台在简化光路下即可实现500帧/秒的高速成像，对每一个捕获的AuNP进行实时轨迹追踪，解析其位移、速度与驻留时长等动力学特征，并据此建立了一套基于运动行为的分类逻辑：自由扩散颗粒仅短暂出现（<250 ms）；非特异性吸附颗粒通常在反应初期（<2 s）即固定在芯片表面；而真正代表靶标识别的特异性结合颗粒则呈现受限布朗运动且持续驻留。基于这三类截然不同的“动力学指纹”，平台能够在无需额外洗涤步骤的条件下，从复杂背景中精准甄别并计数真正的特异性结合事件。

值得强调的是，该平台不仅在光学构型上大幅简化、在特异性识别上免去洗涤流程，更重要的是在光学增强、动态识别和数字计数三者的统一中实现了检测性能的整体跃升。以心肌肌钙蛋白I（cTnI）为模型靶标，平台在PBS中检测限低至0.051 pg mL⁻¹，并在未稀释人血清中仍保持良好线性与特异性。通过便携式光学设备与免洗式动态计数策略的结合，该方法同时兼顾了超灵敏检测、快速分析和仪器小型化需求，支持在院前急救等场景中部署应用。

本文要点：

图1. 动态单结合事件分析原理示意图。a. 微透镜芯片用于单结合事件实时检测的总体构型，芯片兼具传感界面与超透镜双重功能；b. 有无微镜辅助下单颗AuNP成像效果对比，显示微透镜带来的显著信号增强；c. 捕获的AuNP按运动轨迹分为自由颗粒、检测颗粒和吸附颗粒三类；d. 基于该策略的心血管疾病标志物特异性定量检测流程，无需洗涤即可甄别真正的结合事件

图2.片上微透镜增强单个等离子体纳米颗粒成像。a. 微透镜增强散射信号的原理示意；b. 52微米直径微透镜的电场分布


模拟


；c. 微球近场局域强度峰分布；d-f. 有无微透镜条件下AuNP附近局域场强度及x/y方向峰值对比；g-h. 有无微透镜时80纳米AuNPs的明场图像及相对


光电


子数比较；i-j. 净强度和信噪比统计对比；k. 微透镜有效成像区域内信噪比的空间依赖关系

图3.单颗粒运动状态识别。a-c. 三类代表性颗粒（自由、检测、吸附）的示意图、明场图像、运动轨迹及x/y方向时间轨迹，各呈现截然不同的运动模式；d-e. 三类颗粒在位移和速度上的分布差异，从自由到检测到吸附，运动剧烈程度依次递减；f-g. 自由颗粒停留时间统计，约92%停留时间小于50毫秒；h. 吸附颗粒初始出现时间分布，约96%在2秒内出现；i. 三类颗粒驻留时长对比，特异性检测颗粒可在整个检测窗口长期存在

图4.单结合事件的实时追踪与分类。a. 动态追踪流程（颗粒检测、帧间匹配、基于驻留时长与出现时间的分类逻辑），自由与吸附颗粒被系统排除，仅检测颗粒纳入定量；b-c. 不同时间点非特异性和特异性结合事件的典型明场图像及对应累积计数；d. 不同检测时长下信号计数与变异系数的关系

图5。基于便携式光学设备的一步式cTnI检测。a. 基于便携式光学设备的 cTnI 检测示意图；b. PBS中不同浓度cTnI的时间-信号曲线，信号随靶标浓度单调上升；c. 19分钟时PBS中的标准曲线，线性范围5-10000 pg mL-1，检测限达0.051 pg mL⁻¹；d. 选择性分析结果，对高浓度干扰蛋白无明显响应；e. 未稀释血清中不同浓度cTnI的时间-信号曲线；f. 19分钟时血清中低浓度段标准曲线；g. 30分钟时血清中全浓度段标准曲线

总结与展望：

综上所述，本研究将片上微透镜增强成像与单颗粒动态行为分析相结合，构建了一种兼具“看得见”与“读得懂”能力的单分子数字检测新范式。在物理层面，片上微透镜突破了纳米探针弱散射信号的观测极限，使常规便携式光学系统也能捕捉单个纳米探针的瞬时状态；在信息层面，实时轨迹追踪揭示了每个结合事件的动力学指纹，使检测逻辑从传统的“终点信号强弱比较”跃迁为“动态结合过程真伪甄别”——特异性与非特异性相互作用凭借其在运动模式与驻留行为上的本质差异被清晰区分，这正是免洗式检测能够成立的物理与信息双重基础。

这一技术路径的独特价值，在cTnI检测这一临床场景中得到了充分映射。对于急性心肌梗死而言，时间就是心肌——从症状出现到确诊的每一分钟都关乎不可逆的心肌损失。然而，超急性期（症状发作后1–3小时）血中cTnI往往仅呈现极微弱的浓度攀升，恰好落在传统POCT方法的检测盲区，而高灵敏度的实验室化学发光法虽能捕捉这一窗口，却依赖大型设备与专业操作，无法在院前环境中部署。这构成了一个典型的“灵敏度-速度-可及性”三角困境：三者缺一，即意味着早期确诊机会的丧失。本研究平台的独特之处在于——它不是以牺牲某一维度来换取另一维度的提升，而是通过物理创新（微透镜使小型化光学成为可能）、信息策略（动力学追踪使免洗快检成为可能）与数字计数（单分子灵敏度）的三重协同，首次在同一体系中同时响应了这三项在传统技术中相互制约的临床需求。这正是本工作与现有cTnI检测技术的本质区别所在：它不是在既有范式内做渐进改进，而是为院前条件下“超灵敏即时检测”提供了全新技术路径。

更广泛地看，本研究展示了单分子动力学分析走出光学实验室、迈向微型化与现场部署的一种可行路径。将片上光学增强、单颗粒追踪与免洗式数字计数集成于一个低成本、低功耗的便携平台，为面向急诊分诊、基层医疗、灾难救援和居家监测等场景的新一代生物传感系统奠定了技术基础。未来，当单分子级别的精准识别不再依赖于洁净间与昂贵仪器，而能够在救护车的颠簸中、在社区诊所的桌面上完成时，“精准诊断”的内涵也将从“实验室级”向“手边级”完成切实的扩展。

论文信息：

Dynamic Single-Binding Event Profiling With on-Chip Microlenses for Wash-Free Digital B


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ngting Zhan, Lianyu Lu, Guoqiang Gu, Pengcheng Zhang, Jienan Shen, Xiaotian Tan, Wei Ye, Shi Hu, Yi Zhang, Hao Yu, Shaoqin Liu*, Hairong Zheng*, Hui Yang*

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vanced Science

DOI:10.1002/advs.76076

原文链接：

来源：Advanced Science