基于光的传感器检测到极低水平的创伤性脑损伤生物标志物

研究人员开发了一种基于芯片的元表面生物传感器，能够在极低水平下检测创伤性脑损伤（TBI）生物标志物。随着进一步发展，这项技术未来有望帮助医生更快诊断头部受伤，指导治疗并在并发症发生时提供早期预警。

超表面是一种带有微小特征的超薄材料，使其能够以传统透镜无法做到的方式操控光线。在中层表面涂覆能结合特定目标分子的抗体，可以利用光线检测这些分子。

北京工业大学珠海分校研究团队负责人李光源表示：“尽管已有多种生物标志物被验证为TBI的指标，但目前的测量方法耗时且需多重复杂的实验室步骤。”

“为了应对这一挑战，我们开发了极其灵敏的元表面生物传感器，即使仅存在极少量生物标志物，也能产生清晰可靠的光学信号。”

在《光学材料快报》期刊上，由深圳工业大学理工学院李宇辉和刘云辉联合领导的团队报告称，其新传感器能够以低至每毫升飞克克的水平检测TBI生物标志物胶质纤维酸蛋白（GFAP）和S100钙结合蛋白β（S100β），水平低至每毫升——约为千万亿分之一克，即一毫升液体中的千万亿分之一克。

该平台还可以被改编为基于元表面的传感器，能够同时检测多个生物标志物。

刘说：“如果这项技术发展成现场护理形式，可以帮助在脑损伤后提供更快、更准确的诊断——也许只需用手指扎出血。”

“这有可能减少低风险病例不必要的CT扫描，同时更早标记高风险患者。它还可能使救护车、农村诊所、体育场所或急诊科在时间关键的环境中更容易检测生物标志物。”

创建基于芯片的生物传感器

临床有用的检测TBI生物标志物需要对低分子浓度极为敏感的传感器。为此，研究人员开发了一种基于波纹金表面的元表面生物感测装置。由于其高质量（高Q值）因子，当光线照射到表面时，反射光谱呈现出极窄的凹陷。

如果目标生物分子与功能化表面结合，局部折射率会略有变化，导致凹槽波长发生变化。由于凹陷非常窄，即使是非常小的偏移也能被区分，从而实现超灵敏检测。

为了制造高Q值波纹金表面，研究人员开发了一种制造技术，能够降低表面粗糙度和光学损耗。他们采用高度精确的纳米制造方法来创建周期性图案。

李博士说：“我们还开发了一种稳定的表面化学方法，能够以低非特异性吸附特异性捕获目标分子，并采用了高信噪比的光学设备，”这些创新共同使得在紧凑芯片中制造超灵敏生物传感器成为可能。”

敏感的TBI生物标志物检测

为测试新平台，研究人员准备了两个分别带有抗S100β和抗GFAP抗体功能的传感器，并在1 fg/mL到100 ng/mL之间的浓度下测量每个生物标志物。他们还使用非靶向TBI生物标志物H-FABP和UCH-L1作为对照。

平台显示出S100β和GFAP的明显、随浓度相关的波长变化和亚飞克克级每毫升的检测限，对靶标的响应明显高于对照组。

研究人员指出，尽管制造金超曲面的过程具有可扩展性，但成本也较高。不过，他们正在努力降低成本。在临床应用前，还需要对包装和流体处理系统的改进进行开发，并且该技术需要使用更复杂、更具临床意义的样本进行验证。

还需要更多涉及患者队列的研究，以评估系统的重复性、鲁棒性和实际性能。

出版信息

林尚军等，利用高Q值光学超表面检测创伤性脑损伤生物标志物，Optical Materials Express（2026）。DOI：10.1364/ome.601906

期刊信息：光学材料快报 

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