撰稿|课题组供稿
近日，厦门大学电子科学与技术学院、电磁声学研究院朱锦锋教授团队联合公共卫生学院陈毅歆教授团队，提出了一种基于无序增强的等离激元纳米谷物超表面生物传感器，并将其用于高灵敏检测新冠Omicron变异株和新冠疫苗诱导的总抗体。这项研究表明，无序增强超表面在生物医学检测中的应用前景广阔，有利于在未来移动医疗中用于病毒早期发现和预防应用。相关成果以“Plasmonic Nanograin Metasurface with Disorder-Enhanced Biosensing for SARS-CoV-2 Variant and Antibodies”为题发表在国际期刊Advanced Functional Materials上。
研究概念图
光学超表面作为一种重要的新型人工纳米结构在材料科学与工程领域引起了广泛关注，超构功能基元结构设计也在超表面工程化应用中起着关键作用。近年来，研究人员发现：将无序引入周期性结构的拓扑架构可以提高超表面在光提取、散射、反射和辐射等方面的性能。无序可以作为超表面设计的一个调节自由度，从而产生更优异的光学特性。为了追求更高的传感性能，研究人员致力于通过在周期性阵列中引入外部金纳米颗粒来增强等离激元超表面的灵敏度。然而，这种超表面设计面临两个挑战：一方面，需要使用标记或额外试剂，会增加检测过程的复杂性。另一方面，它们需要引入额外的金属颗粒，严重影响检测的重复性和稳定性。因此，仍有必要追求一种具有内在无序的免标记等离激元超表面生物传感器，它能在有序结构中提供更好的可控性，从而稳定地提升生物传感性能。
首先，作者提出了如图1所示的多种模型来展示从周期性到完全非周期的超表面演变过程，分别为周期性纳米孔超表面（periodic nanohole metasurface，PNM），无序增强纳米谷物超表面（disorder-enhanced nanograin metasurface，DENM），完全无序纳米谷物超表面（totally disordered metasurface，TDNM）。在经典PNM结构基础上，通过适当引入无序纳米颗粒形成DENM1。进一步增加DENM1的无序程度便可以得到具有更高随机性的DENM2。最后，大量引入无序纳米结构便完全打破了固有超表面的周期性，使其退化为完全无序的TDNM。实验中，随着纳米颗粒无序水平增加，观察到的实验谱线共振强度变弱，半高宽展宽。与PNM、DENM2和TDNM相比，DENM1不仅能提供高密度的局域热点，还在光谱上具有显著可观测的光谱特征，这为提升生物分子的光学灵敏度提供额外的近场增强效应。
图1 超表面从周期性到非周期性的物理演变
如图2所示，DENM1的体灵敏度为466.8 ± 3.7 nm/RIU，比PNM高出74.0 nm/RIU。无序增强的采用使体灵敏度性能提高了约18.8%。此外，进一步采用层层自组装方法对比了两种超表面的表面灵敏度。随着聚合物双层数量的增加，PNM和DENM1的波长偏移逐渐增加。当数量增加到28时，DENM1的饱和波长偏移约为71.6 nm，比PNM高出约20.0 nm。接下来，基于四参数逻辑回归测量了PNM和DENM1的检测限（LOD）性能，分别为0.153 ng/mL和0.065 ng/mL。这表明DENM1在牛血清蛋白传感上表现更佳，具有更低分子浓度的探测能力。这不仅归因于DENM1中更多局部热点的近场增强，还归因于更大的比表面积可以对生物分子更有效地捕获。
图2 DENM超表面的灵敏度性能分析
基于抗原/抗体的分子动力学和特异性实验，研究团队筛选了高亲和力、高特异性的单克隆抗体。然后采用DENM1生物传感器对血清样本中Omicron刺突蛋白和新冠假病毒进行免疫识别，如图3所示。首先利用5 ng/mL到80 ng/mL的标准样品建立了S蛋白传感曲线，所有基于DENM1的生物传感结果与金标准S蛋白浓度显示出良好的一致性。DENM1的传感器还可以与微流控生物芯片集成实现便携检测，因此在新冠早期阶段具有防止假阴性和误诊的巨大潜力。
图3 新冠奥密克戎和假病毒的传感检测
此前，疫苗接种者在注射第一剂和第二剂疫苗后的免疫效果下降的情况被频繁报道。DENM1生物传感器可以作为评估人血清中疫苗诱导抗体水平的工具，有助于临床随访和监测接种者持续的免疫反应。如图4所示，当DENM1生物传感器应用于疫苗接种者时，检测结果显示从注射前后不同阶段的五次血清样本中，总抗体水平显著升高。所有传感器检测到的总抗体水平与商业化ELISA结果显示出良好的一致性。虽然不同个体的总抗体水平及其波动有所不同，但通常在接种后一至两周达到峰值，随后保持在一个稳定状态。此外，传感器再生过程保持了S蛋白结合位点的活性和亲和力，便于其在血清总抗体水平上的重复测试。
图4 新冠疫苗效价评估与应用
总体而言，与商业ELISA相比，DENM传感器需要更少量的血液样本进行动态疫苗效力评估，并支持便携检测和简便回收，这在快速疫苗监测和先进免疫学研究中具有巨大应用潜力。
厦门大学朱锦锋教授和陈毅歆教授为该研究工作的通讯作者，朱锦锋教授课题组博士生李法君、硕士生关超恒和公共卫生学院陈毅歆教授课题组博士生陈开允为论文共同第一作者。厦门大学为论文的第一研究单位。项目得到国家自然科学基金（62175205），国家自然科学基金联合基金（U2130112），福建省雏鹰计划青年拔尖人才项目（2022），福建省自然科学基金（2021J02006），厦门市产学研项目（2022CXY0108），以及深圳市科技发展基金（JCYJ20220530143015035）支持。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adfm.202401983
