基于田口方法优化CPTES化学的光子晶体生物传感器用于人血清中抗SARS-CoV-2抗体的高灵敏检测

《Sensors and Actuators B: Chemical》：Taguchi optimization of CPTES chemistry for photonic crystal-based biosensors: detection of Anti-SARS-CoV-2 antibodies in human serum

本研究针对生物传感器表面功能化步骤对性能影响巨大的关键问题，研究人员通过田口方法系统优化了硅氧化物表面CPTES有机硅烷功能化参数，构建了基于布洛赫表面波的一维光子晶体生物传感平台。该研究成功实现了对COVID-19患者血清中痕量SARS-CoV-2 IgM抗体的特异性检测，为临床生物标志物的优化和灵敏检测提供了创新平台。

　　

在生物传感技术领域，表面功能化是一个至关重要的环节，它直接影响生物识别元件的固定效率，进而决定整个生物传感平台的性能表现。然而，传统的表面化学修饰方法往往依赖于经验性尝试，缺乏系统化的优化策略，导致生物传感器性能不稳定、灵敏度不足等问题。特别是在传染病快速检测领域，如SARS-CoV-2抗体检测，需要高灵敏度的检测平台来应对临床样本中痕量生物标志物的检测挑战。

为了解决这一关键问题，来自罗马萨皮恩扎大学的研究团队在《Sensors and Actuators B: Chemical》上发表了一项创新性研究，他们将工业质量控制中广泛使用的田口方法首次引入生物传感器表面化学优化领域，开发了一种基于一维光子晶体的高性能生物传感平台。

该研究团队采用了几项关键技术方法：首先设计并制备了能够支持布洛赫表面波的一维光子晶体结构，该结构由SiO₂和Ta₂O₅交替层组成，顶部覆盖TiO₂和SiO₂功能层；其次搭建了集无标记和荧光增强检测于一体的光学读出系统；最关键的是采用田口正交阵列实验设计法，以接触时间、浓度和温度为关键参数，对CPTES硅烷化过程进行系统优化；最后利用该平台对来自IRCCS Regina Elena国家癌症研究所生物样本库的COVID-19患者和健康个体的血清样本进行了分析验证。

3.1. 田口优化结果

研究人员通过无标记检测模式评估了不同参数组合下CPTES功能化表面的性能。实验采用L₉(33)正交阵列，仅需9次实验即可研究三个参数在三个水平上的影响，大幅减少了实验复杂度。通过分析抗N抗体与固定化核衣壳蛋白相互作用的信号变化，发现最佳功能化条件为：温度40°C、CPTES浓度2%(v/v)、接触时间60分钟。该条件组合在核衣壳蛋白区域产生了75.4±2.9 mdeg的显著信号响应，且在信号强度和重复性方面均表现最优。

3.2. 在IgM和IgG检测中的应用

将优化后的生物传感器应用于实际血清样本检测时，研究发现无标记模式虽能对1:50稀释的阳性和阴性血清进行定性区分，但不足以满足低浓度IgM检测的灵敏度要求。为此，研究人员引入了荧光增强检测模式，通过生物素化抗IgM检测抗体和链霉亲和素标记的量子点进行信号放大。实验结果表明，在阳性血清样本中，核衣壳蛋白功能化区域呈现出明显的荧光信号，而阴性样本则无显著响应，成功实现了对血清中痕量SARS-CoV-2 IgM抗体的特异性检测。

研究结论表明，田口方法为生物传感器表面化学优化提供了系统、高效的解决方案，显著提升了表面功能化的重复性和可靠性。结合一维光子晶体的布洛赫表面波技术，该平台实现了从优化方法到灵敏检测的全流程整合，在无标记模式下可检测较高浓度蛋白（>17 ng/mL），而在荧光增强模式下检测灵敏度显著提高（LoD低至0.3 ng/mL）。这种将质量工程方法与传统生物传感技术相结合的策略，不仅为SARS-CoV-2抗体检测提供了新方案，更为其他疾病生物标志物的检测平台开发提供了新思路，在疾病早期诊断和进展监测方面展现出重要应用潜力。

该研究的创新性在于首次将田口方法应用于基于无标记分子相互作用的表面功能化策略优化，并通过同一平台实现了优化过程和灵敏检测的双重目标。这种跨学科的研究方法为生物传感器领域提供了新的技术路径，有望推动高性能诊断工具的开发与应用。