《Nature Communications》：Do-it-yourself protein arrays as high-throughput immunoassays enabled by confined droplets on patterned plasmonic chips
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本研究针对传统蛋白质芯片在灵敏度、设备依赖性和操作专业性方面的局限，开发了一种基于图案化等离激元芯片的液滴自组装（DBDIY）蛋白阵列。该系统仅需移液器即可实现无需外部设备的微阵列制备，并利用等离激元增强近红外（NIR）荧光实现高灵敏度检测。研究人员在单个小鼠中，仅使用每次6 μL的血清/血液，便成功实现了对10种细胞因子的长达40天的动态分析；并在来自112名儿童的1 nL外周血全血样本中，对C反应蛋白（CRP）实现了100%的灵敏度和特异性。该可扩展的高通量系统为纵向动物研究和临床诊断提供了新一代的便捷工具。
在生命科学研究和临床诊断的前沿，蛋白质的快速、精准、高通量检测一直是科研人员和医生们孜孜以求的目标。想象一下，如果能像查看超市货架上的商品一样，一眼扫过就能同时获知样本中成千上万种蛋白质的信息，那将为疾病机理研究、生物标志物发现和精准医疗带来多大的飞跃！这正是蛋白质芯片和微阵列技术所描绘的蓝图。然而，理想很丰满，现实却往往骨感。尽管这些技术已经发展了数十年，但几个关键的“卡脖子”问题依然存在，阻碍了它们从实验室走向更广阔的临床应用舞台。
首先，是灵敏度不足的问题。许多重要的生物标志物，尤其是在疾病早期或微量样本中，其浓度极低，传统的检测方法难以捕捉到它们的微弱信号。其次，是“高门槛”的困扰。常规的高通量蛋白检测往往依赖于昂贵且笨重的大型仪器，比如激光共聚焦扫描仪或专门的荧光检测系统。这不仅意味着高昂的设备投入，还需要配备经过专门培训的技术人员来操作和维护。最后，操作流程的复杂性也限制了其普及。标准的微阵列制作过程繁琐，对实验环境和技术要求高，难以在资源有限的基层实验室、诊所或床边检测中开展。这些局限，就像一道道高墙，将这项技术的潜能困在了象牙塔之内。
于是，一个核心问题摆在了研究者面前：能否开发出一种既高度灵敏，又无需复杂设备、操作简便的蛋白质检测新方法？能否让高端的蛋白分析技术“飞入寻常百姓家”，在资源有限的环境中也能大显身手？来自……（此处省略，因文档未提供作者及单位信息）的研究团队，正是瞄准了这些痛点，决心推倒这些高墙。他们的研究成果，一篇题为《Do-it-yourself protein arrays as high-throughput immunoassays enabled by confined droplets on patterned plasmonic chips》的论文，成功发表于国际顶级期刊《自然·通讯》（Nature Communications），为我们带来了一种颇具颠覆性的解决方案。
为了攻克上述难题，研究人员巧妙地融合了微流控、纳米光子学和免疫分析技术，设计并实现了一种名为“基于液滴的自组装”（Droplet-Based Do-It-Yourself, DBDIY）蛋白阵列系统。其核心技术创新点主要包括：第一，图案化等离激元芯片的制备：他们设计了一种具有特殊纳米结构的金膜芯片，这种结构能产生强烈的等离激元共振效应。第二，液滴受限自组装技术：利用移液器手动或半自动地将含有不同捕获抗体的微小液滴（皮升至纳升级别）精准地点样到芯片的特定位点上，液滴在表面张力作用下自然形成规整的阵列，并完成抗体的固定，实现了“设备无关”的微阵列制作。第三，等离激元增强近红外荧光检测：当目标蛋白与芯片上的捕获抗体结合，并与携带近红外荧光染料的检测抗体形成“三明治”复合物后，芯片的等离激元纳米结构能将激发光场局域并增强，同时高效淬灭背景荧光，从而极大地放大来自目标蛋白的特异性近红外荧光信号。这种检测方法无需复杂的光学系统，灵敏度极高。研究中用于验证的临床样本队列来源于112名儿童的外周血全血样本。
液滴自组装蛋白阵列的构建与表征
研究人员首先成功地在图案化等离激元芯片上，仅使用标准移液器，便制备出了均匀、稳定的蛋白质微阵列。他们通过实验证实，这种DBDIY方法制作的阵列，其点样一致性和抗体固定效率均与传统专业点样仪制作的阵列相当，甚至更优，完美实现了“自己动手”的便捷化目标。
等离激元增强近红外荧光检测的超高灵敏度
通过对模型蛋白的检测，研究团队验证了该系统超凡的检测灵敏度。得益于等离激元共振对近红外荧光的增强作用，该系统能够检测到飞摩尔（fM）甚至更低浓度的目标蛋白，其检测限比传统基于玻璃基底的荧光检测方法提升了数个数量级。这为解决痕量生物标志物检测的难题提供了关键技术支撑。
在微小体积样本中实现多重细胞因子的动态监测
为了展示该系统在复杂生物样本中的应用潜力，研究人员将其用于活体动物研究。他们仅从单个小鼠身上，每次采集6 μL的微量血清或全血，便成功地同时对10种不同的细胞因子进行了长达40天的纵向动态监测。这项研究生动地证明了该技术在高通量、多指标、长期跟踪研究中的独特价值，且极大地减少了对实验动物的采血量，符合动物伦理的“3R”原则（减少、替代、优化）。
在临床微量血样中实现C反应蛋白的精准诊断
最终，研究团队将目光投向了真实的临床场景。他们收集了112名儿童的微量外周血全血样本，每份样本仅需1 nL（纳升）。利用该DBDIY系统检测其中的C反应蛋白（C-Reactive Protein, CRP，一种重要的炎症标志物）。结果显示，该系统达到了惊人的100%的灵敏度（即所有阳性样本均被检出）和100%的特异性（即所有阴性样本均未误判），完美实现了对临床样本的精准诊断。这标志着该技术具备了直接应用于床边快速诊断或基层医疗筛查的潜力。
综上所述，本研究开发并验证了一种革命性的高通量蛋白质检测平台。它通过液滴自组装技术极大地简化了微阵列的制备流程，摆脱了对昂贵大型仪器的依赖；通过等离激元增强近红外荧光检测，实现了媲美乃至超越传统方法的超高灵敏度。该技术成功应用于小鼠模型中多细胞因子的长期动态分析，以及临床儿童微量血样中CRP的精准检测，充分证明了其在生物医学研究和临床诊断领域的广泛应用前景。这项工作的意义在于，它首次将“自己动手”的简易操作、等离激元纳米技术带来的极限灵敏度、以及高通量多重检测能力，三者融为一体，为在资源有限环境下开展高水平的蛋白质组学研究和疾病诊断提供了切实可行的“下一代工具”。它不仅有望推动基础研究走向更深入的动态、微观层次，更可能打破技术壁垒，让高端检测技术惠及更广泛的地区和人群，为全球健康事业贡献新的解决方案。
