《Biosensors and Bioelectronics》：A Scalable and Cost-Effective Plasmonic Enhanced Fluorescence Platform for High-Sensitivity Detection of Thyroid Function Biomarkers
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等离子体共振增强荧光检测平台通过电化学自组装与热退火处理制备，显著提升甲状腺功能生物标志物（TSH、TPOAb、TgAb）检测灵敏度达2个数量级，LOD达pg mL?1，特异性＞96%，检测时间＜80分钟，适用于临床小体积血清样本高通量筛查。
施晨宇|岳颖|王一辰|王磊|唐志高|单洪利|朱守军|张俊虎|白阳
中国吉林省长春市吉林大学化学学院超分子结构与材料国家重点实验室，超分子化学生物学中心，邮编130012
摘要
基于荧光的蛋白质微阵列能够快速、高通量地检测疾病生物标志物，但其灵敏度有限且背景信号较高。利用金属纳米间隙的等离子体增强荧光（PEF）技术通过局域表面等离子体共振（LSPR）解决了这些问题，但传统的制造方法成本高昂且复杂。本文报道了一种通过静电自组装聚二烯基二甲基氯化铵（PDDA）和金纳米颗粒（AuNPs）在玻璃载玻片上制备的热退火等离子体纳米间隙（TAP-Nano）平台，随后进行热退火处理以生成密集均匀的等离子体纳米间隙。TAP-Nano成本低廉（每片芯片不到0.5美元），可扩展至127 × 85 mm2，并且相比传统基底能将荧光信号增强两个数量级，达到pg/mL的检测限（LOD）。该技术在临床血清样本中对甲状腺功能生物标志物的检测显示出了98.20%、100%和96.67%的特异性，以及97.44%、99.17%和90.52%的灵敏度。在15个样本中同时检测TSH和游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）时，实现了100%的特异性和灵敏度。该检测方法仅需0.6 μL血清，耗时不到80分钟，动态范围覆盖五个数量级。TAP-Nano结合了简单性、可扩展性和超高灵敏度，具有显著的潜力，可用于多重临床诊断，推动下一代基于PEF的生物传感技术的发展。
引言
基于荧光的蛋白质微阵列由于其微型化、高通量和优异的特异性，已成为快速检测疾病生物标志物的有效工具（Chi等人，2023；de Assis等人，2021）。然而，传统蛋白质微阵列的灵敏度不足且背景信号较高，这严重影响了低浓度分析物的检测准确性和可靠性，限制了其在临床研究中的应用（Shakeri等人，2024；Stafford等人，2024）。等离子体增强荧光（PEF）通过利用金属纳米间隙的局域表面等离子体共振效应来放大荧光信号，从而克服了这些挑战（Lee等人，2021；Li等人，2017a；Lu等人，2022；Wang等人，2023；Xu等人，2023）。与其他需要复杂仪器或重新设计检测方法的灵敏度增强技术不同，这种方法保留了传统的免疫测定工作流程，同时最小化了技术障碍，便于临床应用（Campu等人，2023；Ding等人，2025）。
近年来，已经开发了多种用于临床应用的PEF平台（Li等人，2017b；Tabakman等人，2011；Xu等人，2020；Zhang等人，2014；Zhang等人，2017）。在PEF平台方面的显著进展包括使用等离子体金（pGOLD）基底进行癌症预后的种子生长方法（Liu等人，2016）、用于活细胞成像的多巴胺涂层纳米晶体阵列（Hou等人，2020），以及用于传染病诊断的热退火处理金纳米颗粒（TA-GNP）平台（Yue等人，2023）。然而，这些金属纳米间隙的构建通常依赖于昂贵或复杂的制造工艺，限制了PEF平台在临床环境中的可扩展性和可行性。相比之下，静电自组装提供了一种简单、可扩展且经济高效的方法来调节金属纳米间隙（Kang等人，2013；Zhang等人，2016；Zheng等人，2015）。尽管如此，由于静电相互作用较弱以及难以形成密集排列的金属纳米间隙，实现高浓度“热点”仍然具有挑战性（La Torre等人，2015；Wang等人，2020a；Wang等人，2020b）。
本文提出了一种结合静电自组装和热退火的方法，构建了热退火等离子体纳米间隙（TAP-Nano）平台，用于快速检测小体积临床样本中的甲状腺功能生物标志物。TAP-Nano通过依次在玻璃载玻片上组装带正电的聚二烯基二甲基氯化铵（PDDA）和带负电的金纳米颗粒（AuNPs），然后进行热退火处理，生成均匀密集的等离子体纳米间隙。TAP-Nano制造简单、成本低廉（每片芯片约0.5美元），可扩展至大面积（127 × 85 mm2）。它在多种免疫测定系统中表现出出色的荧光增强效果，荧光信号强度比玻璃载玻片高出两个数量级，检测限（LOD）达到几pg/mL。这种超高灵敏度的检测能力直接满足了甲状腺功能监测的临床需求。甲状腺作为调节新陈代谢和生长的关键内分泌器官，需要快速准确地检测与甲状腺功能相关的血清抗原和抗体，以进行疾病诊断和预后预测（Lee和Pearce 2023）。TAP-Nano在206个临床血清样本中对甲状腺刺激激素（TSH）、甲状腺过氧化物酶抗体（TPOAb）和甲状腺球蛋白抗体（TgAb）的检测显示出98.20%、100%和96.67%的特异性，以及97.44%、99.17%和90.52%的灵敏度。值得注意的是，在15个临床血清样本中同时检测TSH和游离三碘甲状腺原氨酸（FT3）时，实现了100%的特异性和灵敏度。该检测方法仅需0.6 μL血清，耗时不到80分钟，动态范围覆盖五个数量级。TAP-Nano的可扩展性和高灵敏度表明其在多种临床领域的应用潜力，为下一代多重诊断平台的发展奠定了基础。
材料
玻璃载玻片购自Citotest。三水合氯化金（III）从Sinipharm Chemical Reagent购买。柠檬酸钠从Aladdin购买。NaCl、KCl和MgCl?从北京化工厂购买。牛血清白蛋白（BSA）、链霉亲和素（SA）、PDDA和Tween 20从Sigma-Aldrich购买。血红蛋白和胆红素从Adamas购买。聚二甲基硅氧烷（PDMS）从Dow Corning购买。PBS从Monad购买。Sulfo-NHS-LC-Biotin和人...
PEF平台的制备与表征
为了构建用于增强荧光的密集等离子体纳米间隙，我们通过两步自组装过程结合受控热退火来制备PEF平台（图1a）。首先，用O?等离子体处理过的玻璃载玻片通过静电沉积法涂覆一层带正电的PDDA（Darvish等人，2024；Gullace等人，2021）。随后，将尺寸为15 nm、35 nm和60 nm的带负电的柠檬酸稳定的AuNPs自组装到PDDA涂层上...
结论
在本研究中，我们开发了TAP-Nano，这是一种可扩展且成本效益高的PEF平台，旨在解决传统蛋白质微阵列在临床诊断中的局限性。通过将AuNPs的静电自组装与热退火相结合，TAP-Nano生成了密集均匀的等离子体纳米间隙，可将荧光信号增强两个数量级，同时抑制背景噪声。这种制造策略成本低廉（每片芯片不到0.5美元），并支持大面积基底的应用...
CRediT作者贡献声明
唐志高：研究工作。施晨宇：撰写——原始草稿、可视化、方法学、研究、数据分析、概念化。岳颖：撰写——审阅与编辑、验证、研究、数据分析、概念化。王一辰：资源获取、研究、资金筹集。王磊：研究、数据分析。张俊虎：撰写——审阅与编辑、项目管理、资金筹集、数据分析...
利益冲突声明
作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
本文的补充数据可在线获取
利益冲突声明
? 作者声明没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文的研究结果。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（项目编号22275071和82470834）的支持。
