1月30日至31日，中國科學院深圳先進技術研究院（簡稱“深圳先進院”）生物醫(yī)學與健康工程研究所傳感中心楊慧研究員、譚驍天副研究員課題組先后在生物傳感領域國際期刊ACS Sensors和Analytical Chemistry上發(fā)表2篇論文，介紹團隊在微流控生物分子傳感領域取得的系統(tǒng)性突破。研究論文分別從理論建模和技術創(chuàng)新層面攻克了微量液相生物樣本中生物標志物分析難題，建立了管狀微流控免疫反應器的多影響因素耦合模型，并基于傳感中心自研的便攜式微流控化學發(fā)光免疫分析平臺（TOI）開發(fā)出了可進行全血直檢的結(jié)核病T細胞免疫響應定量檢測技術，為結(jié)核病快速、便捷免疫篩查提供了新思路。

圖1. 兩篇論文的pdf截圖

由于冠狀病毒、流感、支原體肺炎、結(jié)核病等傳染性疾病的層出不窮，因為疫苗接種減少、病原體耐藥性增強等因素，結(jié)核病等應在前期被有效管控的傳染病，近年來又有了發(fā)病率抬頭的趨勢。對這些傳染性疾病進行便捷有效的診斷，并準確預測個體及群體針對傳染性病原體的特異性免疫防護能力，成為當前迫在眉睫的任務。

微流控生物傳感技術憑借其樣本需求量小、可快速響應和設備便攜等優(yōu)勢，已成為傳染病診斷及免疫反應檢測領域的前沿技術。然而，該類技術從技術驗證走向?qū)嶋H應用始終面臨兩大核心挑戰(zhàn)：其一，微流控系統(tǒng)設計缺乏普適性理論指導，反應器幾何參數(shù)（如反應器半徑）與分子結(jié)合效率的定量關系尚未明確，導致器件開發(fā)嚴重依賴經(jīng)驗試錯；其二，復雜生物樣本（如全血）中的基質(zhì)干擾和分子探針性能不足，使得檢測靈敏度、特異性與信噪比難以滿足臨床需求。

尤其在高靈敏度的生物標志物檢測中，傳統(tǒng)微流控系統(tǒng)常因抗體性能不足引發(fā)噪聲，導致假陽性率升高。針對這些問題，深圳先進院研究團隊通過建立管狀微流控免疫反應器多影響因素耦合模型，揭示了"反應器尺寸-反應條件-分子探針性能"的三維協(xié)同機制，不僅為微流控生物傳感器件的設計提供了量化標準，也為免疫分析抗體探針的開發(fā)提供了理論指導，為突破生物傳感技術的性能瓶頸提供了新啟示。

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理論突破：揭示高靈敏度生物傳感的關鍵參數(shù)

研究團隊通過建立基于"首次通過時間法"（First Passage Time, FPT）的管狀微流控免疫反應器動力學模型，量化了高靈敏度生物傳感的關鍵參數(shù)。通過引入溶液內(nèi)蛋白分子與傳感器的結(jié)合概率（Pon）及解離概率（Poff）的概念，實現(xiàn)了對抗體探針性能特征的量化建模。

研究發(fā)現(xiàn)，實現(xiàn)高靈敏度檢測不僅依賴于微流控反應器的高表面積體積比（S/V），更需要高親和力、高特異性的抗體探針。探測過程所需的溶液體系及反應時間也需進行精確控制，才可實現(xiàn)高信噪比（>1000）的定量探測。這些發(fā)現(xiàn)為下一代生物傳感器的設計提供了明確的量化標準，解決了領域內(nèi)長期缺乏理論指導的問題。

圖2. 管式微流控免疫分析中分子吸附過程的定量理論模型。

該論文于1月30日發(fā)表于ACS Sensors，共同第一作者為國家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心、深圳先進院聯(lián)培博士后呂英楷及深圳大學碩士研究生、深圳先進院客座研究生張彬茂。共同通訊作者為深圳先進院楊慧研究員、李皓副研究員，第一通訊作者為譚驍天副研究員。

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應用突破：實現(xiàn)了基于微量血液樣本中T細胞免疫反應的結(jié)核病特異性免疫診斷

基于理論模型的指導，研究團隊開發(fā)出了一套便攜式微流控化學發(fā)光免疫分析系統(tǒng)（TOI），及配套的一體式微尺度干擾素釋放測試技術（CM-IGRA）?？捎糜诮Y(jié)核病T細胞免疫響應的精準檢測。該技術探測目標為血液中T細胞針對結(jié)核分歧桿菌特異性抗原肽分泌的干擾素γ（IFN-γ）。僅需50 μL血液樣本即可完成檢測。從采血開始的全分析流程僅需約12小時，較傳統(tǒng)方法的20-24小時縮短近一半。通過優(yōu)化抗體探針和信號放大策略，系統(tǒng)對IFN-γ的檢測靈敏度達到8.00 pg/mL（血漿樣本），動態(tài)范圍橫跨近4個濃度量級。

在與深圳市寶安區(qū)人民醫(yī)院合作開展的臨床研究中，研究團隊對八十余名結(jié)核病疑似患者的血液樣本進行了測試，結(jié)果顯示該技術與金標準方法的一致率達98.39%，且所需樣本量減少至傳統(tǒng)方法的二十分之一。這一技術創(chuàng)新為結(jié)核病在醫(yī)療資源緊張地區(qū)的快速篩查提供了高效且低成本的方案。此外，深圳先進院科研團隊正基于便攜式微流控化學發(fā)光免疫分析平臺，開展其它傳染病防控的相關研究工作，目前研究均進展順利。

圖3. 一體式微尺度干擾素釋放測試技術（CM-IGRA），發(fā)表于Analytical Chemistry。

該論文發(fā)表于Analytical Chemistry，共同第一作者為深圳大學碩士研究生、深圳先進院客座研究生張彬茂及寶安區(qū)人民醫(yī)院檢驗科主任徐羽中，共同通訊作者為深圳先進院譚驍天副研究員，第一通訊作者為深圳大學柴語鵑助理教授。

這一系列的研究由深圳先進院楊慧、譚驍天課題組與國家高性能醫(yī)療器械創(chuàng)新中心李皓課題組、深圳大學柴語鵑課題組、寶安區(qū)人民醫(yī)院徐羽中課題組聯(lián)合完成。北京義翹神州科技股份有限公司、鄭州安圖生物工程股份有限公司、深圳亞輝龍生物科技股份有限公司的技術團隊及美國密歇根大學范旭東教授課題組均在研究中提供了很大的幫助。

論文信息

1.ACS Sensors 2025, DOI: 10.1021/acssensors.4c03336

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acssensors.4c03336

2.Analytical Chemistry 2025,

DOI: 10.1021/acs.analchem.4c05390

https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.4c05390

審核編輯 黃宇