《Biosensors and Bioelectronics》：Label-free biomolecular sensing via near-interface single-particle Brownian motion tracking
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摘要
无标记生物传感器通常在同一界面上结合了分子识别和信号转导功能，这限制了其可重配置性和多重检测能力。在这里，我们报告了一种基于近界面布朗运动跟踪（ni-BMT）的电荷敏感型传感策略，用于单颗粒的检测。在这种架构中，分子识别功能被定位在可更换的颗粒探针上，而
摘要
无标记生物传感器通常在同一界面上结合了分子识别和信号转导功能，这限制了其可重配置性和多重检测能力。在这里，我们报告了一种基于近界面布朗运动跟踪（ni-BMT）的电荷敏感型传感策略，用于单颗粒的检测。在这种架构中，分子识别功能被定位在可更换的颗粒探针上，而基底则作为通用的限制和光学读出界面。颗粒界面静电特性的目标依赖性变化与近壁流体动力学限制下的表观横向扩散系数变化相关联。通过将高密度微孔阵列与自动化颗粒跟踪相结合，ni-BMT能够在单一视场内实现对大约7000个颗粒的高通量分析。机制研究支持了静电-流体动力学的转导机制，并证明了蛋白质、核酸和小分子的定量检测，检测限可达到亚纳米级别。此外，大小编码的颗粒探针能够在同一基底上实现同时的三通道检测。通过将分子识别与信号读出分离，ni-BMT建立了一种可重配置的无标记传感架构，集成了高通量单颗粒分析、实时监控和多重检测功能，为生物分子分析提供了一个多功能框架。
引言
准确表征生物分子识别过程是生物分析、临床诊断和生命科学研究的基本要求。无标记传感技术特别有吸引力，因为它们消除了对外源标记的需求，简化了实验流程，并能够直接监测分子在天然状态下的相互作用（Jiang等人，2026；Roesel等人，2025）。在过去几十年中，已经开发了多种无标记平台，包括表面等离子体共振（SPR）（Hojjat Jodaylami等人，2025；Liu等人，2025；Yang等人，2025）、干涉散射显微镜（iSCAT）（Ginsberg等人，2025；Young等人，2018）、石英晶体微天平（QCM）（Wei等人，2023）以及基于阻抗的传感器（Radha Shanmugam等人，2025；Zhang等人，2021），用于检测蛋白质、核酸、小分子和细胞。在许多基于表面的无标记传感器中，分子识别和信号转导发生在同一界面上。在这些功能化的基底中，识别探针被固定在传感基底上，目标结合被转换成光学、电学或机械信号。尽管这些架构非常有效，但它们将目标特异性与传感基底紧密耦合在一起。因此，改变检测目标可能需要重新功能化或再生传感表面（Jia等人，2024），而多重检测通常依赖于表面图案化、多个传感区域或并行检测通道。这些要求可能会限制平台的可重配置性，并使实验扩展变得复杂。
单颗粒分析已成为探测生物分子相互作用的一种有前景的替代方法（Zhou等人，2024）。与集合平均测量相比，单颗粒方法能够保留与单个响应单元相关的动态和异质信息（Gooding和Gaus，2016；Ma等人，2025）。在这些方法中，颗粒跟踪特别有吸引力，因为颗粒运动本身对局部物理化学相互作用非常敏感（K?telh?n等人，2016；Mo和Raizen，2019；Simon等人，2024）。现有的颗粒运动生物传感器采用了不同的转导策略。一些使用分子连接器或表面捕获结构来限制颗粒运动，并将结合事件转换成颗粒动力学的变化（Ma等人，2021；Visser等人，2018）。其他方法则监测靠近界面的自由扩散颗粒，并从颗粒轨迹的变化中提取结合信息（Akama等人，2019；Buskermolen等人，2022）。以前的扩散生物传感器使用功能化的颗粒来检测蛋白质和核酸，通过结合诱导的流体动力学尺寸和颗粒扩散性的变化（Chuang等人，2018；Wang等人，2020）。此外，跟踪大量颗粒可以提高颗粒间异质性的采样，并为高通量单颗粒分析提供统计基础（Lubken等人，2021；Wang等人，2019）。在固体界面附近，颗粒扩散取决于其流体动力学尺寸以及附近表面施加的流体动力学阻力。无滑移边界条件增加了对布朗运动的阻力，使得扩散系数对颗粒-表面分离敏感（Banerjee和Kihm，2005；Huang和Szlufarska，2015；Libchaber，2019）。同时，颗粒与带电基底之间的平衡分离由界面相互作用控制，特别是电双层力（Behrens和Grier，2001；Wu，2022）。这些考虑提示了一种传感策略，其中生物分子识别调节界面静电特性，改变颗粒的悬浮高度，并随后转化为可测量的布朗扩散变化。
在这里，我们报告了一种用于高通量无标记生物分析的近界面布朗运动跟踪（ni-BMT）平台。在ni-BMT中，分子识别发生在可更换的颗粒探针上，而通用的微孔基底提供了限制和无需目标特异性表面功能化的静电-流体动力学转导环境。颗粒界面静电特性的目标依赖性变化与近壁流体动力学限制下的表观横向扩散系数变化相关联。通过将高密度微孔阵列与自动化轨迹分析相结合，ni-BMT能够在单一视场内同时跟踪大约7000个颗粒。我们探讨了静电-流体动力学的转导机制，并证明了蛋白质、核酸和小分子的定量检测，以及基于大小的多重检测。这些结果建立了一种以颗粒为中心的传感架构，将分子识别与信号读出分离，并将布朗运动跟踪从颗粒表征扩展到一般的生物分析。
章节片段
传感平台设计和工作原理
传统的无标记生物传感器通常在同一界面上结合了分子识别和信号转导功能，当检测目标改变时，需要重复对表面进行功能化或重新设计传感基底。为了解决这一限制，我们开发了一种近界面布朗运动跟踪（ni-BMT）平台，其中分子识别从传感器基底转移到可更换的微粒上，而微孔芯片则作为通用
结论
本研究介绍了一种无标记传感策略ni-BMT，它将分子识别和信号转导物理分离。与传统界面生物传感器不同，在ni-BMT中，识别探针被定位在可更换的颗粒探针上，同时使用基底作为通用的限制和读出界面。这种架构使得可以在共同的传感平台上实现多种识别化学方法
材料和试剂
购自常州智川的二氧化硅颗粒（半径：750、1000和1250纳米，链霉亲和素预涂；1000纳米，BSA预涂）。用于微孔芯片制造的RZJ-390PG正性光刻胶购自苏州瑞鸿，氧化铟锡（ITO）导电玻璃购自洛阳尚卓。重组人IgG、BSA、未标记和生物素化的Anti-BSA购自北京Bersee。生物素化的单链DNA（5′-biotin-CAA CCA TTG TCA CAC TCC A-3′）及其
CRediT作者贡献声明
马金宝：撰写——原始草案、方法学、研究、正式分析、数据管理。 刘晓茵：方法学、研究、正式分析。 崔白琪：研究、正式分析。 王云晓：方法学、正式分析。 吴静宇：方法学、正式分析。 王迪：撰写——审阅与编辑、可视化、方法学、概念化。 张芬妮：撰写——审阅与编辑、监督、方法学、资金获取、概念化。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（编号：82572363）、中央高校基本科研业务费（编号：226-2026-00180）、国家重点研发计划（编号：2025YFC2427200）、浙江省自然科学基金（编号：LZ24H180001）以及浙江省“先锋”和“领头雁”研发计划（编号：2025C02187、2025C02035）的支持。
马金宝|刘晓茵|崔白琪|王云晓|吴静宇|王迪|张芬妮
