《Biosensors and Bioelectronics》：Epitope-imprinted nanogels for high-performance mass-based detection of pathogenic viruses
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Ekin Sehit|Rodrigue Marquant|Karsten Haupt|Zeynep Altintas德国基尔大学工程学院材料科学研究所生物启发材料与生物传感器技术分部，Kaiserstra?e 2，24143基尔摘要快速且精准地检测病毒病原体对于有效的疾病监测和疫
Ekin Sehit|Rodrigue Marquant|Karsten Haupt|Zeynep Altintas
德国基尔大学工程学院材料科学研究所生物启发材料与生物传感器技术分部，Kaiserstra?e 2，24143基尔
摘要
快速且精准地检测病毒病原体对于有效的疾病监测和疫情控制至关重要。为满足这一需求，研究人员将热响应型表位印迹纳米凝胶（MIP-NGs）整合到石英晶体微天平（QCM）平台上，用于实时检测实际样本中的甲型肝炎病毒（HAV）。通过计算机模拟分析筛选出两种HAV相关表位（表位2和表位3），并将其作为模板用于合成分子印迹聚合物纳米凝胶。通过傅里叶变换红外光谱、动态光散射和电泳光散射技术确认了纳米凝胶的成功制备。利用表面等离子体共振技术比较了这些印迹纳米凝胶的结合亲和力，结果显示表位2对应的解离常数为2.49 × 10-11 M，表位3对应的解离常数为5.07 × 10-13 M。鉴于表位3具有更强的亲和力，研究人员选择其作为受体元素，并将其固定在QCM传感器表面，以实现基于质量的病毒检测。研究探讨了两种固定化方法：滴涂法以及在邻氨基苯酚和石墨烯量子点存在下的循环伏安法电化学沉积法。通过原子力显微镜和接触角测量验证了传感器表面的形成情况。在38°C条件下进行HAV检测，此时纳米凝胶的结构稳定性有助于通过表位特异性腔体实现病毒结合。实时QCM检测结果显示，随着病毒浓度变化，传感器的频率会相应改变，其在1.33–85 pM的工作浓度范围内的检测限为1.05 pM。通过使用非印迹纳米凝胶进行对比测试，该传感平台的印迹因子为1.9，同时也能有效区分其他病原病毒。最终，在人类血清中成功检测到HAV，证明了该传感平台在实际应用中的可行性。
引言
病原病毒的检测对公共卫生监测具有重要意义，尤其是在疾病暴发期间，同时也有助于保障食品和水的安全（Sehit和Altintas，2023）。及时发现病毒污染对于采取有效干预措施、限制病毒传播至关重要。尽管目前的金标准诊断方法具有较高的灵敏度和可靠性，但它们往往耗时较长，需要昂贵的仪器设备，且依赖于集中的实验室设施和专业人员。这些局限性凸显出开发快速、灵敏的生物传感方法的必要性，这类方法能够实现及时、分散式的实时病毒检测，这也推动了新型受体概念和传感平台的研发。
分子印迹聚合物纳米凝胶（MIP-NGs）是一种合成受体，它在聚合物网络中包含由目标分子模板形成的分子识别腔体（Mier等人，2021）。这些腔体在尺寸、形状和功能基团排列上与模板相匹配，因此能够实现选择性且高亲和力的结合。与生物受体相比，MIP-NGs具有诸多优势，比如生产成本较低、化学和热稳定性较高，而且批次间的差异较小。正因如此，MIP-NGs已被广泛应用于多种领域，包括合成治疗药物（Herrera León等人，2023；Medina Rangel等人，2022）、肿瘤靶向与成像（Zhang等人，2025）、疾病生物标志物检测（Herrera León等人，2026；Hix等人，2024；Kalacas等人，2025）以及食品污染检测（Cheubong等人，2021）。
在无需标记物的基于表面的生物传感平台中，将识别元件整合到固体传感器界面上是至关重要的。对于MIP纳米凝胶而言，有效的固定化对其在生物传感领域的实际应用至关重要，尤其是在石英晶体微天平这类对质量变化敏感的检测技术中，稳定的界面连接才能实现实时的分析物检测。此前已有研究将印迹水凝胶材料与QCM传感器结合，用于检测双酚A（Matsumoto等人，2016）、牛血红蛋白（El-Sharif等人，2015）、人绒毛膜促性腺激素（Zubryt?等人，2025）以及麻风分枝杆菌（Kushwaha等人，2019）等分析物。不过据我们所知，目前尚未有研究报道将热响应型、表位印迹纳米凝胶作为识别元件整合到QCM平台上用于病毒检测。
在本研究中，研究人员通过固相法合成了热响应型表位印迹纳米凝胶，并将其作为合成识别元件整合到QCM传感器上，用于病毒检测（见图1）。研究选择了两种通过计算机筛选得到的表位作为模板来制备MIP-NG受体，随后利用表面等离子体共振技术比较了这两种表位的结合亲和力，从而确定最优的受体。最终选定的MIP-NG被固定在QCM传感器表面，由此构建出了用于检测甲型肝炎病毒的传感器。研究探讨了滴涂法和电沉积法两种固定化策略，并从灵敏度、选择性和特异性等方面评估了传感器的性能。最后，这些传感器被用于检测血清中的HAV。
内容片段
实验部分
本研究中所使用的化学品、试剂以及表位结合试验的相关细节详见补充信息。
MIP纳米凝胶的合成与表征
选择合适的表位对于实现表位印迹纳米凝胶与目标分析物之间的高亲和力结合至关重要。甲型肝炎病毒（PDB编号：5WTE）的衣壳由三种病毒蛋白（VP1–VP3）构成（见图1A）。表位2（THR70–HIS76）是我们之前研究中所选用的表位，它是基于对HAV衣壳结构（PDB编号：5WTE）的计算机模拟分析而确定的（Akin等人，2025）。在那项研究中，研究人员采用了分子动力学模拟以及RMSF和SASA结构分析方法
结论
在本研究中，我们设计了一种基于表位印迹纳米凝胶的QCM传感平台，用于检测甲型肝炎病毒。该平台首次实现了合理的表位选择、固相纳米凝胶合成以及可控的表面固定化。所开发的这种热响应型MIP纳米凝胶具有皮摩尔级别的极高亲和力（表位3的解离常数为5.07 × 10-13 M，表位2的解离常数为2.49 × 10-11 M），能够在1.33–85 pM的浓度范围内检测出HAV，其检测限低至1.33 pM。值得注意的是
CRediT作者贡献说明
Ekin Sehit：论文撰写——初稿撰写、可视化处理、方法设计、实验开展、正式分析、数据整理、概念构思。Rodrigue Marquant：结果验证、实验研究。Karsten Haupt：论文撰写——审稿与编辑、项目监督。Zeynep Altintas：论文撰写——审稿与编辑、结果验证、项目监督、资源协调、项目管理、方法设计、资金申请、概念构思
利益冲突声明
作者声明，他们不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了德国研究基金会（DFG，项目编号：428780268）的资助。作者衷心感谢Altintas实验室的Nastasia Sanda Moldovean-Cioroianu，她协助完成了对原子力显微镜纳米压痕实验结果的统计分析。E.S.感谢Claudia Herrera León在实验操作方面给予的指导与帮助。K.H.则感谢法国大学研究院提供的资金支持。
