蛋白質、細胞因子和核酸的檢測與分析在廣泛的應用實踐中發揮著關鍵作用，其中包括癌癥的早期診斷、疫苗的發現，甚至是用于確定致命傳染病（如新冠病毒（SARS-CoV-2））感染的血清學分析。基于親和力的生物傳感器，例如蛋白質陣列技術，是進行蛋白質組學分析的有用平臺。目前，蛋白質微陣列已被證實可用于基因、轉錄組蛋白質和抗體的研究和分析。

據麥姆斯咨詢報道，近期，美國羅格斯大學（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，用于開發一種便攜式讀出系統，該系統通過使用尺寸約為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，從而實現皮摩爾水平的蛋白質無標記傳感。相關研究成果以“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計如圖1c所示。當傳感器浸在電解液環境中并施加驅動電壓時，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。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，則靶蛋白與抗體結合時對應的阻抗變化越大。

圖1 （a）便攜式電子讀出系統示意圖；（b）所設計的鎖相放大器定制PCB實物照片，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物照片；（e）納米阱陣列阻抗傳感器原理：抗體和靶蛋白結合阻斷電流路徑，導致阻抗增加；（f）5 × 5納米阱陣列顯微圖。

蛋白質檢測

為了驗證所提出的電子讀出系統的可行性，研究人員進行了蛋白質檢測實驗。實驗方案如圖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）。待響應穩定下來之后，向納米阱傳感器中繼續添加3μl PBS（圖2c）。待響應再次穩定后，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待測蛋白質溶液進行檢測。

圖2 蛋白質檢測實驗

雖然該檢測過程所遵循的實驗方案時長設定為45分鐘，但通過跳過添加PBS的驗證步驟，直接將蛋白質添加到功能化的傳感器表面，實際操作可以在10分鐘內完成。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。陰性對照實驗的實驗方案和分步結果如圖3所示。蛋白質定量試驗和陰性對照試驗均重復3次。相關實驗結果總結如圖4c中箱型圖所示。

圖3 非特異性蛋白實驗（陰性對照）

圖4 （a）用不同濃度抗體進行的抗體吸附實驗中所觀察到的阻抗變化百分比。（b）實驗裝置。（c）PBS中蛋白質檢測實驗箱線圖。

綜上所述，該研究提出了一種便攜式、低噪聲電子讀出系統，用于與納米阱陣列阻抗傳感器相結合，以實現蛋白質的無標記傳感。相關實驗結果證明了該系統具有量化抗體濃度的能力。此外，盡管在實驗中采用了時長較長的檢測方案以確保魯棒性，但在實際環境中使用時，該系統能夠在10分鐘的周期內實現“樣品進結果出”的蛋白質快速檢測。另外，除了可以用于蛋白質檢測以外，該系統也可用于抗體和蛋白質結合動力學的研究和測量。

審核編輯：郭婷