组成图示
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传感器类型
荧光生物传感器
检测对象
癌胚抗原（carcinoembryonic antigen, CEA）、前列腺特异性抗原（prostate specific antigen, PSA）、核小体（nucleosomes, NS）；样品基质为缓冲液、小鼠全血/血液、血清
检测原理
该传感器采用免疫夹心与荧光读出机制。首先，羧基聚苯乙烯纳米球通过被动吸附固定单克隆抗体，抗体Fc端与纳米球表面作用形成定向单层；随后在电场驱动下，带负电的抗体纳米球被电泳组装到PMMA纳米沟槽中，沟槽限制颗粒位置并提高有效抗体密度。样品中的CEA、PSA或核小体与对应捕获抗体结合，形成抗原-抗体复合物；洗涤去除未结合物后，加入FITC标记二抗或Oregon Green标记核小体，使复合物携带荧光标记。荧光显微镜成像时，荧光强度随被测抗原浓度增加而增强。纳米沟槽定向组装和抗体取向优化是主要灵敏度增强策略，使器件相对常规ELISA具有更低检测限。
检测灵敏度
LOD: CEA 31.25 pg/mL；LOD: nucleosomes 62.5 pg/mL
效应效果
该器件在缓冲液、小鼠血液和血清中均能识别目标抗原。CEA在50%小鼠血中最低检测浓度为31.25 pg/mL，核小体在血清中最低检测浓度为62.5 pg/mL；PSA在200 ng/mL与0 ng/mL间荧光差异明显。IgG对照芯片信号低于2C5芯片，NS与心肌肌球蛋白500 ng/mL下无交叉反应，显示选择性和特异性。抗体涂层纳米球尺寸、zeta电位和活性稳定超过一个月。器件30 min内仅少量生物污染，超过2 h明显污染，适合5–10 min临时植入筛查。作者称其较商业ELISA试剂盒灵敏度更高，引言称较标准ELISA可提高最高5个数量级，可用于多种疾病早期筛查。
传感器的构成
- 基底载体：3英寸Si晶圆（Si wafer）与1 μm Cr牺牲层，用于微芯片加工与后续释放
- 结构基底：75 μm厚SU-8 2075负性光刻胶，形成生物相容聚合物微芯片主体
- 电极层：50 nm Au溅射层，形成电隔离区域并作为电泳组装阳极/导通层
- 纳米模板层：300 nm PMMA（Nano 950）电子束光刻形成500 nm宽纳米沟槽，用于锁定位点组装纳米颗粒
- 识别元件：羧基聚苯乙烯纳米球（PSL-COOH）被动吸附单克隆抗体（mAb CEA、mAb 2C5、mAb PSA、IgG），抗体经Fc端定向
- 封闭剂：2% BSA过夜封闭PMMA表面，降低非特异性结合
- 信号标记物：FITC标记山羊抗小鼠IgG-H&L二抗用于CEA/PSA检测；Oregon Green 1 488标记核小体用于NS检测
- 读出层：光学荧光显微镜与ImageJ图像分析，输出荧光强度信号
中文摘要
本文报道了一种用于同时检测多种生物标志物的微尺度体内生物传感器平台。作者设计了基于聚合物的生物传感器芯片，芯片上集成多个相互隔离的活性区域，最小活性区约为70 μm×70 μm，用于抗原检测。器件制备采用常规微纳加工流程，随后通过位点特异性电泳定向组装抗体功能化纳米颗粒，使抗体以合适取向固定在纳米沟槽中。为实现精确且可放大的制造，作者开发了半自动微装配系统，将直径约250 μm的生物传感器芯片固定到约300 μm的导管探针上，并采用激光从载体上释放芯片，从而有望以较低成本实现大规模生产。检测原理为基于荧光的酶联免疫吸附试验：目标抗原与芯片上捕获抗体结合后，加入荧光标记二抗或荧光标记抗原，通过荧光显微镜成像读取信号。该传感器具有较高选择性、特异性、快速抗原摄取能力和较低检测限，癌胚抗原检测限为31.25 pg/mL，核小体检测限为62.5 pg/mL，为多种疾病的早期检测提供了基础。
英文摘要
This paper describes a microscale in vivo sensor platform device for the simultaneous detection of multiple biomarkers. We designed the polymer-based biosensors incorporating multiple active isolated areas, as small as 70 μm × 70 μm, for antigen detection. The fabrication approach involved conventional micro- and nano-fabrication processes followed by site-specific electrophoretic directed assembly of antibody-functionalized nanoparticles. To ensure precise and large-scale manufacturing of these biosensors, we developed a semi-automated system for the attachment of the 250-μm biosensor to a 300-μm catheter probe. Our fabrication and post-processing procedures should enable large-scale production of such biosensor devices at lower manufacturing cost. The principle of detection with these biosensors involved a simple fluorescence-based enzyme-linked immunosorbent assay. These biosensors exhibit high selectivity (ability to selectively detect multiple biomarkers of different diseases), specificity (ability to target generic to specific disease biomarkers), rapid antigen uptake, and low detection limits (for carcinoembryonic antigen, 31.25 pg mL(-1); for nucleosomes, 62.5 pg mL(-1)), laying the foundation for potential early detection of various diseases.