基于病毒样颗粒与等离子体表面晶格共振的超灵敏生物传感器

背景与挑战

病毒抗体检测在疾病诊断中至关重要，例如EB病毒（EBV）、艾滋病病毒（HIV）和肝炎病毒等感染后，抗体可能是唯一可追踪的免疫标志。然而，传统检测方法如酶联免疫吸附试验（ELISA）和表面等离子体共振（SPR）存在灵敏度不足的问题，尤其是在抗体浓度极低的情况下。近年来，基于局域表面等离子体共振（LSPR）的表面增强拉曼散射（SERS）技术因其高灵敏度备受关注，但其信号强度在溶液环境中仍显不足。

创新突破
研究团队提出了一种新型生物传感器设计，利用病毒样颗粒（VLPs）与等离子体表面晶格共振（SLR）的结合，显著提升了检测灵敏度。VLPs由金核和SARS-CoV-2的S1蛋白“冠状结构”组成，其金核通过LSPR效应放大拉曼信号。然而，溶液中的VLPs信号强度有限。为此，团队采用毛细管辅助粒子组装（CAPA）技术将VLPs排列成周期性纳米阵列，激发SLR效应。实验表明，SLR的共振吸收峰强度比LSPR高一个数量级，且通过SERS效应将拉曼信号放大约350倍。

图 1.研究方案

图 2.（a） 示例性 SARS-CoV-2 VLP 的 TEM 图像，在 100 nm Au 核心周围有一个可见的 S1 蛋白电晕。（b） 显示了使用硅模具雕刻的带有孔的 PDMS 衬底的 SEM 图像，而 （c） 和 （d） 使用 CAPA 方法制造的 VLP 阵列的显微图像。（e） 展示在两种不同背景下拍摄的阵列照片。阵列的红色/紫色是光吸收的结果，与用于 VLP 制备的 Au NP 的大小、基质的周期性和覆盖度的均匀性直接相关。（f） 显示了 mAb 沉积后阵列的 SEM 图像。（g–i） 显示 Au NPs 阵列 （g）、VLPs 阵列 （h） 和 VLPs mAb 阵列 （i） 的 AFM 图像。图像上标记的表面线轮廓如 （j） 所示。

关键技术细节

1. VLPs制备：通过Turkevich法合成10 nm金纳米颗粒，利用CTAB和BSPP修饰表面，最终与SARS-CoV-2的S1蛋白结合形成VLPs。
2. 纳米阵列构建：使用CAPA技术在PDMS基底上制备周期性孔洞（周期420 nm），通过水作为溶剂将VLPs固定在孔内，避免了有机溶剂对生物活性的破坏。
3. 信号检测：通过紫外-可见光谱（UV-Vis）确认SLR峰位（632 nm），并利用拉曼光谱检测S1蛋白与抗体结合的特征峰（1332 cm⁻¹和1558 cm⁻¹）。相较于溶液中的VLPs，阵列信号强度提升两个数量级。

应用验证
实验证明，该传感器可特异性识别SARS-CoV-2单克隆抗体（mAbs），且在洗涤后仍保持结构稳定性。通过对比纯金纳米颗粒阵列，团队发现VLPs的蛋白“冠状结构”对特异性结合至关重要。此外，传感器在复杂生物环境中（如含高浓度干扰物质）仍能保持高灵敏度。

意义与展望
该技术不仅适用于SARS-CoV-2抗体检测，还可通过替换VLPs的蛋白组分扩展至其他病毒（如HIV、肝炎病毒）或癌症标志物检测。未来通过优化阵列周期和检测参数，有望将检测限进一步降低至10⁻⁸–10⁻⁹ M，为即时诊断（POCT）和个性化医疗提供新方向。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117143