针对传染病防控的生物分子传感技术研究中取得新突破

1月30日至31日，中国科学院深圳先进技术研究院（简称“深圳先进院”）生物医学与健康工程研究所传感中心杨慧研究员、谭骁天副研究员课题组先后在生物传感领域国际期刊ACS Sensors和Analytical Chemistry上发表2篇论文，介绍团队在微流控生物分子传感领域取得的系统性突破。研究论文分别从理论建模和技术创新层面攻克了微量液相生物样本中生物标志物分析难题，建立了管状微流控免疫反应器的多影响因素耦合模型，并基于传感中心自研的便携式微流控化学发光免疫分析平台（TOI）开发出了可进行全血直检的结核病T细胞免疫响应定量检测技术，为结核病快速、便捷免疫筛查提供了新思路。

图1. 两篇论文的pdf截图

由于冠状病毒、流感、支原体肺炎、结核病等传染性疾病的层出不穷，因为疫苗接种减少、病原体耐药性增强等因素，结核病等应在前期被有效管控的传染病，近年来又有了发病率抬头的趋势。对这些传染性疾病进行便捷有效的诊断，并准确预测个体及群体针对传染性病原体的特异性免疫防护能力，成为当前迫在眉睫的任务。

微流控生物传感技术凭借其样本需求量小、可快速响应和设备便携等优势，已成为传染病诊断及免疫反应检测领域的前沿技术。然而，该类技术从技术验证走向实际应用始终面临两大核心挑战：其一，微流控系统设计缺乏普适性理论指导，反应器几何参数（如反应器半径）与分子结合效率的定量关系尚未明确，导致器件开发严重依赖经验试错；其二，复杂生物样本（如全血）中的基质干扰和分子探针性能不足，使得检测灵敏度、特异性与信噪比难以满足临床需求。

尤其在高灵敏度的生物标志物检测中，传统微流控系统常因抗体性能不足引发噪声，导致假阳性率升高。针对这些问题，深圳先进院研究团队通过建立管状微流控免疫反应器多影响因素耦合模型，揭示了"反应器尺寸-反应条件-分子探针性能"的三维协同机制，不仅为微流控生物传感器件的设计提供了量化标准，也为免疫分析抗体探针的开发提供了理论指导，为突破生物传感技术的性能瓶颈提供了新启示。

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理论突破：揭示高灵敏度生物传感的关键参数

研究团队通过建立基于"首次通过时间法"（First Passage Time, FPT）的管状微流控免疫反应器动力学模型，量化了高灵敏度生物传感的关键参数。通过引入溶液内蛋白分子与传感器的结合概率（Pon）及解离概率（Poff）的概念，实现了对抗体探针性能特征的量化建模。

研究发现，实现高灵敏度检测不仅依赖于微流控反应器的高表面积体积比（S/V），更需要高亲和力、高特异性的抗体探针。探测过程所需的溶液体系及反应时间也需进行精确控制，才可实现高信噪比（>1000）的定量探测。这些发现为下一代生物传感器的设计提供了明确的量化标准，解决了领域内长期缺乏理论指导的问题。

图2. 管式微流控免疫分析中分子吸附过程的定量理论模型。

该论文于1月30日发表于ACS Sensors，共同第一作者为国家高性能医疗器械创新中心、深圳先进院联培博士后吕英楷及深圳大学硕士研究生、深圳先进院客座研究生张彬茂。共同通讯作者为深圳先进院杨慧研究员、李皓副研究员，第一通讯作者为谭骁天副研究员。

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应用突破：实现了基于微量血液样本中T细胞免疫反应的结核病特异性免疫诊断

基于理论模型的指导，研究团队开发出了一套便携式微流控化学发光免疫分析系统（TOI），及配套的一体式微尺度干扰素释放测试技术（CM-IGRA）。可用于结核病T细胞免疫响应的精准检测。该技术探测目标为血液中T细胞针对结核分歧杆菌特异性抗原肽分泌的干扰素γ（IFN-γ）。仅需50 μL血液样本即可完成检测。从采血开始的全分析流程仅需约12小时，较传统方法的20-24小时缩短近一半。通过优化抗体探针和信号放大策略，系统对IFN-γ的检测灵敏度达到8.00 pg/mL（血浆样本），动态范围横跨近4个浓度量级。

在与深圳市宝安区人民医院合作开展的临床研究中，研究团队对八十余名结核病疑似患者的血液样本进行了测试，结果显示该技术与金标准方法的一致率达98.39%，且所需样本量减少至传统方法的二十分之一。这一技术创新为结核病在医疗资源紧张地区的快速筛查提供了高效且低成本的方案。此外，深圳先进院科研团队正基于便携式微流控化学发光免疫分析平台，开展其它传染病防控的相关研究工作，目前研究均进展顺利。

图3. 一体式微尺度干扰素释放测试技术（CM-IGRA），发表于Analytical Chemistry。

该论文发表于Analytical Chemistry，共同第一作者为深圳大学硕士研究生、深圳先进院客座研究生张彬茂及宝安区人民医院检验科主任徐羽中，共同通讯作者为深圳先进院谭骁天副研究员，第一通讯作者为深圳大学柴语鹃助理教授。

这一系列的研究由深圳先进院杨慧、谭骁天课题组与国家高性能医疗器械创新中心李皓课题组、深圳大学柴语鹃课题组、宝安区人民医院徐羽中课题组联合完成。北京义翘神州科技股份有限公司、郑州安图生物工程股份有限公司、深圳亚辉龙生物科技股份有限公司的技术团队及美国密歇根大学范旭东教授课题组均在研究中提供了很大的帮助。

论文信息

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

审核编辑 黄宇