AFM：刘钢/黄丽萍/金梅林/张强合作开发新型生物传感器，定量检测新冠中和抗体

华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授、量准公司黄丽萍博士团队联合华中农业大学金梅林教授和张强副教授团队，在 Advanced Functional Materials 期刊发表了题为：Metasurface-Driven and Nanomaterial-Coupled Plasmonic Biosensor for the Rapid and Quantitative Clinical Identification of Neutralizing Antibodies against SARS-CoV-2 Variants 的研究论文。

该研究建立了一种具有竞争或替代结合模式的基于纳米超表面等离子共振（MetaSPR）技术的病毒中和实验的生物传感器（MSPR VNT），使用S蛋白的RBD代替病毒或假病毒与hACE2受体结合。由MetaSPR芯片驱动的微型光学生物传感器与纳米材料耦合，能够快速特异地定量识别中和抗体，从而反映群体感染率、个体康复情况和疫苗效果。

表面等离子体共振（SPR）的光学生物传感器因其实时、无标记的特点被广泛使用，研究范围广泛分布至基础生物学、生物医学研究以及环境和农业监测等方面。BIAcore 8K和MI-S200D等商用SPR平台均采用传统SPR技术，其工作原理是当一束偏振光在一定角度范围内射入棱镜端面时，棱镜与金属膜的界面会产生表面等离子体波。然而，纳米超表面等离子共振（MetaSPR）生物传感器比传统的SPR生物传感器更便携，不需要昂贵的棱镜或复杂的光学设备。该生物传感器使用周期性均匀纳米杯阵列来产生等离子共振信号，并通过光谱峰移反映结合在纳米杯芯片表面的分子。该技术可以在简单的光学系统上完成，如光学显微镜和光纤光谱仪，使其成为表征蛋白质和抗体之间相互作用的强大而方便的工具。

许多研究者对超表面等离子生物传感场分析的理论计算或模拟进行了深入的研究。为了获得高灵敏度的MetaSPR生物传感器，需要设计和制造一套多结构的芯片。研究人员通过调整五种结构的纳米柱直径（D）和周期（P），并保持纳米柱高度一致，采用纳米压印方法，在8英寸的晶圆上光刻了五种纳米阵列结构。MetaSPR传感器的性能通常使用优值图（FOM）进行评估，其定义为灵敏度与光谱峰宽度的比值（谐振峰的半最大值全宽度(FWHM)）。

为了筛选出灵敏度高、特异度强的MetaSPR芯片，研究人员一方面从不同折射率溶液的灵敏度和FOM对芯片进行验证（图1A-C）。另一方面利用Protein A对不同浓度免疫球蛋白抗体的定量检测和实时动态曲线，评价了上述筛选的多参数芯片的生物检测灵敏度（图1D-I）。

图1.五种结构芯片性能的表征

在选择出高性能的MetaSPR芯片后，作者使用金铂纳米花（Au@Pt NFs）与MetaSPR芯片相结合来激发更强的光信号以提高检测灵敏度。同时，为了减少非特异性结合，作者改变了传统的“三明治夹心”方法，开发了一种基于MetaSPR生物传感器竞争法的阻断模式来量化分析物的方法。

MSPR VNT生物传感器的竞争性免疫应答原理是通过NAbs阻断三种WT/Delta/Omicron RBD蛋白与hACE2受体之间的相互作用，其原理与BSL 3实验室中进行的cVNT活病毒实验相同（图A）。MSPR VNT平台将不同的RBD固定在高灵敏度的MetaSPR芯片上，血清样品与Au@Pt NFs标记的ACE2受体竞争芯片表面的RBD位点，其中Au@Pt NFs作为增强子放大MSPR VNT平台的光信号（图B）。另外，MSPR VNT生物传感器平台主要包括了MetaSPR芯片、便携式生物传感器和自动化多功能检测设备（图C）。最后，作者通过该平台确定了SARS-CoV-2病毒与人体的亲和力，并通过检测40例人体血液样本得到了与传统假病毒或真病毒中和抗体实验一致的IC50值（图D）。

图2. MSPR VNT生物传感器平台检测NAbs示意图

综上所述，MSPR VNT生物传感器平台由MetaSPR芯片驱动，配合Au@Pt NFs竞争阻断模式，具有小型化、高通量、高灵敏度和特异性定量检测等特点，可高效筛选人体内的中和抗体，有助于疫苗评价和大规模人群健康筛查。

华中科技大学生命科学与技术学院博士研究生李睿和华中农业大学动物医学院博士后赵亚为论文共同第一作者。华中科技大学生命科学与技术学院刘钢教授、黄丽萍博士，华中农业大学动物医学院金梅林教授、生物医学与健康学院张强副教授为论文共同通讯作者。