《Microchemical Journal》：Highly responsive nanomechanical sensor arrays for robust detection of HER2 in complex biological fluids
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•高响应策略将信噪比提升至超越传统检测限（LOD）的范畴。•差动式微悬臂梁阵列消除基质诱导的干扰。•11-MUA/BSA界面实现强抗污染性能。•实现四个数量级范围内pg/mL级别的HER2检测。•在复杂血清环境中验证了稳健的传感性能（回收率>90%）。引言乳腺癌仍然是威胁全球女性
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高响应策略将信噪比提升至超越传统检测限（LOD）的范畴。
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差动式微悬臂梁阵列消除基质诱导的干扰。
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11-MUA/BSA界面实现强抗污染性能。
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实现四个数量级范围内pg/mL级别的HER2检测。
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在复杂血清环境中验证了稳健的传感性能（回收率>90%）。
引言
乳腺癌仍然是威胁全球女性健康的主要疾病之一，而生物标志物的精准检测对于实现早期诊断和个性化治疗至关重要[1]。在这些标志物中，人表皮生长因子受体2（HER2）不仅作为关键的预后指标，同时也是指导靶向治疗的核心标准[2]，[3]。目前，HER2的临床诊断主要依赖于免疫组织化学（IHC）和荧光原位杂交（FISH）技术。然而，这些传统方法存在操作繁琐、成本高昂以及依赖专业实验室等问题，难以实现实时定量分析[4]，[5]。因此，开发一种快速、无标记且适用于即时检测（POCT）的HER2检测技术具有深远意义。
为克服传统临床方法的局限性，近年来涌现出多种新兴生物传感技术[6]。其中，电化学传感器因其卓越的灵敏度和器件小型化的潜力而备受关注。然而，在复杂的生物体液中，电极表面极易发生电化学钝化和氧化还原探针的污染，导致严重的信号失真[7]，[8]。此外，基于表面等离激元共振（SPR）或光学微流控环形谐振腔的光学传感器可实现无标记实时检测，但它们对缓冲液折射率的波动高度敏感，且通常依赖精密、昂贵且笨重的光学仪器，从而限制了其在即时检测（POCT）场景中的应用[9]，[10]。基于微悬臂梁的纳米机械传感为无标记HER2检测提供了另一种途径。Capobianco等人基于压电微悬臂梁的谐振频率偏移实现了HER2检测[11]，在1 mg/mL BSA存在下最低检测浓度为5 ng/mL。Loo等人进一步将该方法扩展到人血清及乳腺癌患者血清样本中[12]，实现了0.05–2 ng/mL范围内的HER2检测，定量限（LOQ）为0.0253 ng/mL。尽管这些研究证明了微悬臂梁在复杂生物样本中进行无标记HER2检测的可行性，但在保持复杂基质中稳健性能的同时进一步提高检测灵敏度和动态范围仍然至关重要。因此，本研究构建了一个集高灵敏度、强环境抗干扰能力和免标记操作于一体的纳米机械传感平台，旨在提高复杂环境下HER2的检测灵敏度和测量稳健性。相关定量性能的详细对比如补充表S1所示。
作为一种独特的物理传导机制，纳米机械传感器[13]，尤其是微悬臂梁阵列，为克服上述临床和技术瓶颈提供了极具前景的途径[14]。其核心优势在于无需荧光或同位素标记，通过将生物分子结合事件直接转换为可测量的物理信号，实现实时定量检测。这一原理的物理基础可追溯至1909年Stoney建立的薄膜应力与基底弯曲之间的经典关系[15]。21世纪初，Fritz、Gimzewski、Lang等人[16]率先证明DNA杂交和抗原-抗体相互作用确实能产生可测量的表面应力，诱导微悬臂梁发生纳米级偏转，从而开创了纳米机械生物传感的时代[17]。然而，它们在复杂生物样本中的应用仍受到非特异性蛋白吸附（生物污染）的限制。血清等生物基质中高丰度的蛋白质和其他生物分子极易在传感界面上发生非特异性吸附，引入背景信号并降低检测精度。为解决这一问题，近年来已开发出多种抗污染界面工程策略，包括自组装单分子层、亲水涂层、两性离子材料、聚合物修饰和蛋白封闭策略等，以在保持靶分子特异性识别能力的同时减少非特异性相互作用[18]，[19]，[20]。然而，目前大多数抗污染策略主要应用于电化学传感平台，而针对复杂生物环境中纳米机械传感器的抗污染界面设计仍相对不足。
在过去二十年中，该领域的大部分研究聚焦于优化表面化学和系统分辨率以追求极限检测限（LOD），甚至达到每毫升阿托克（ag/mL）水平[21]，[22]。然而，这种阿托克级别的灵敏度几乎仅在理想缓冲液（如磷酸盐缓冲液PBS）中实现[23]。当这些高灵敏度传感器暴露于血清或血浆等复杂生物体液时，其性能急剧下降甚至完全失效[24]。这种脆弱性源于血清中存在超高浓度的干扰蛋白，尤其是白蛋白[25]，它们会立即在传感器表面发生非特异性结合（NSB），产生巨大的背景噪声，完全掩盖纳克甚至皮克级别的特异性靶标信号[26]。因此，克服基质效应以实现稳健检测已成为阻碍这些传感器从实验室研究向临床应用转化的最关键瓶颈[27]，[28]。
本研究聚焦于解决复杂生物环境中稳健检测这一关键挑战。我们认识到，要从高噪声的血清背景中提取特异性信号，传感器的响应性——定义为每单位浓度诱导的信号幅度——比LOD本身更为关键。高响应性传感器能产生更优的信噪比（SNR），有助于从背景噪声中分辨出靶标信号[29]。在此，我们构建了一个高响应性的纳米机械阵列传感平台。除生物传感外，基于阵列的纳米传感器架构在其他传感领域也展现出广泛适用性；例如，硅纳米线阵列最近已被用于高灵敏度NO2检测，凸显了纳米级阵列构型在增强传感性能方面的潜力[30]。纳米机械传感器阵列已从传统的基于微悬臂梁的生物传感平台发展为在单一分析平台内集成多个传感单元的阵列化检测系统，从而实现更可靠的生物分子检测。
与单悬臂梁检测模式相比，阵列化设计集成了功能化传感悬臂梁和参考悬臂梁进行差动测量，有效补偿环境波动和非特异性背景变化。在该系统中，悬臂梁表面发生的分子识别事件会诱导表面应力变化，进而转化为可测量的机械偏转信号，用于靶标分析物的定量检测。多通道传感架构不仅提高了测量可靠性，还为信号校正和性能评估提供了有效途径。该平台采用伺服电机驱动激光器扫描八根微悬臂梁阵列，配置检测悬臂梁和参考悬臂梁以实现差动测量。这种差动方法对于在复杂生物体液中扣除非特异性结合（NSB）和环境漂移至关重要[31]，[32]。此外，我们利用11-MUA功能化结合关键性表面封闭策略，在抑制非特异性干扰的同时最大化特异性信号[33]。通过严格的干扰实验和血清加标实验，我们证明该平台成功实现了人血清中HER2的稳健检测。我们相信，这种强调高响应性和稳健性的策略为纳米机械传感器在复杂生物体液中的实际应用提供了更可行的路径。
章节片段
试剂与材料
重组人HER2/ErbB2、HER3/ErbB3和HER4/ErbB4蛋白（均为His标签），以及兔抗HER2/ErbB2多克隆抗体，购自天津索罗门生物科技有限公司（中国天津）。用于构建自组装单分子层（SAMs）和表面活化的11-巯基十一烷酸（11-MUA，98%）和N-羟基琥珀酰亚胺（NHS，98%）购自上海毕得医药科技有限公司（中国上海）。1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺
11-MUA自组装单分子层的表征
传感界面的质量在决定后续生物测定的灵敏度和稳定性方面起着重要作用。为验证11-MUA分子在微悬臂梁表面的成功组装并评估膜质量，采用X射线光电子能谱（XPS）和原子力显微镜（AFM）相结合的方法对功能化前后的表面进行了系统表征。功能化界面的成功形成提供了
结论
本研究旨在解决无标记生物传感器从理想缓冲体系向复杂生物基质转变过程中面临的基质干扰挑战。我们成功构建了一个高响应性纳米机械阵列传感平台，将11-MUA精密表面工程与差动读出策略相结合。XPS和AFM的系统表征验证了11-MUA功能化传感界面的成功形成，其中XPS确认
CRediT作者贡献声明
Lele Xu: 写作 – 初稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Kang Wang: 写作 – 初稿，方法学，调查，正式分析，数据管理，概念化。 Xinyan Wang: 写作 – 初稿，验证，软件，资源，调查，数据管理。 Zhiquan Guo: 写作 – 审阅与编辑，可视化，监督，软件，调查。 Jingnan Zhao: 写作 – 审阅与编辑，监督，项目
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何已知的、可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。
致谢
作者衷心感谢天津市教育委员会（中国）在基金2017KJ020号下提供的资助。感谢天津市科学技术委员会（中国）在基金17JCYBJC42400号下提供的资助。本研究还得到了天津市轻工与食品机械及设备集成设计与在线监测重点实验室的资助，基金编号2019LIMFE08。
Lele Xu|Kang Wang|Xinyan Wang|Zhiquan Guo|Jingnan Zhao|Yuanchen Cui
