《Sensors and Actuators A: Physical》：Development of a High-Sensitivity Giant Magnetoimpedance Biosensor Based on Amorphous Microwire Arrays for Ultrasensitive Detection of Lipopolysaccharides
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该研究开发了一种基于钴基 amorfoot microwires（amorphous microwires）的大磁阻阻抗（GMI）生物传感器，采用间距等距阵列结构提升有效传感面积，结合磁珠（MBs）信号放大技术实现LPS检测限低至1.8 pg/mL，并研制出适用于床边检测的紧凑式设备，检测限13.1 pg/mL。
王宇晨|朱子豪|李云龙|刘星宇|杨雅倩|戴安娜·埃斯特韦兹|黄富江涛|林俊|秦发祥
浙江大学材料科学与工程学院复合材料科学创新研究所（InCSI），中国杭州310028
摘要
败血症是一种由全身感染引起的危及生命的疾病，需要快速准确的诊断方法以实现早期干预。脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌感染的关键生物标志物，是检测败血症的重要靶点。本研究提出了一种新型巨磁阻（GMI）生物传感器，该传感器采用基于钴的非晶微线（AMs）以等间距阵列结构排列，实现了超灵敏的LPS检测。这种阵列设计显著增加了有效传感面积，提高了灵敏度并降低了检测限。生物传感器采用夹心检测系统，利用LPS特异性适配体和磁珠（MBs）进行信号放大。实验结果表明，该传感器的LPS检测限达到了1.8 pg/mL，具有优异的线性（R2=0.9226）和对常见血液成分的特异性。此外，还开发了一种紧凑型生物传感器测试装置，其LPS检测限达到了13.1 pg/mL，适用于即时检测应用。这项工作展示了基于GMI的生物传感器作为快速、灵敏且经济高效的败血症诊断工具的潜力。
引言
败血症是一种由感染引发的全身性炎症反应综合征，具有高发病率和死亡率。根据世界卫生组织最新数据，全球每年约有4890万例败血症病例，导致约1100万人死亡，占全球总死亡人数的近20% [1]，[2]。早期诊断和及时干预对患者预后至关重要，然而败血症的早期检测面临诸多挑战：初始症状（如发热、心动过速和呼吸急促）缺乏特异性，容易与其他感染性或非感染性疾病混淆 [3]；传统的微生物培养方法耗时较长（通常需要24-48小时），无法满足临床对快速诊断的需求；此外，现有的体外细菌内毒素检测方法（如鲎细胞溶解物试验）由于鲎数量减少而面临挑战，同时在灵敏度和特异性方面仍存在局限性，阻碍了早期准确诊断 [4]，[5]，[6]，[7]。在医疗资源匮乏的发展中地区，适用于社区医院和床边检测的即时检测（POCT）技术尤为重要。因此，开发快速、灵敏且特异的败血症生物标志物检测方法具有重要的临床意义。
生物传感器是由生物识别元件和换能器组成的复杂分析系统 [8]，[9]。其核心工作原理包括两个关键步骤：(1) 生物识别：生物识别元件通过特定的分子相互作用选择性地捕获目标分析物。典型的生物识别单元包括抗体、酶和核酸 [10]，以及合成仿生材料如适配体、仿生肽和分子印迹聚合物 [11]，[12]。(2) 信号转换：换能器通过物理化学机制将生物识别事件转换为可量化的输出信号（如电信号、光信号或磁信号）。
脂多糖（LPS）是革兰氏阴性菌细胞壁的标志性成分，是早期败血症诊断的关键生物标志物 [13]，[14]。尽管已有多种生物传感平台（包括电化学传感器 [15]，[16]、表面等离子体共振（SPR）[17]，[18] 和酶联免疫吸附测定（ELISA）[19]，[20]）用于LPS检测，但它们的临床应用受到固有局限性的制约：电化学系统易受复杂基质中干扰物的影响且稳定性不佳，SPR需要昂贵的仪器且对微量分析物的灵敏度有限，ELISA则程序繁琐、操作复杂且成本较高。这些挑战凸显了开发同时满足高灵敏度、快速性、经济性和操作简便性要求的新型检测方法的必要性。
随着生物传感技术的不断发展，基于磁性材料的传感器已成为生命科学研究和临床诊断领域中备受关注的技术 [21]，[22]，[23]，[24]，[25]。磁性生物传感器凭借其高灵敏度、快速响应和优异的生物相容性，在生物分子、病原微生物、细胞、病毒和其他生物标志物的检测中得到广泛应用。根据工作原理和应用场景，磁性生物传感器主要分为巨磁阻（GMR）传感器、霍尔效应传感器、磁松弛切换（MRS）传感器和巨磁阻（GMI）传感器。其中，基于GMI的磁性生物传感器因其高灵敏度、快速响应和低检测限的优势，逐渐成为生物传感领域的研究热点 [26]。
铁磁非晶微线（AMs）是通过熔融快速淬火技术制备的磁性金属合金材料，具有典型的双层复合结构，由外层玻璃涂层和内层磁性非晶合金核心组成。非晶合金核心主要由Fe、Co和Ni等过渡金属构成，添加了Si、B和P等非金属元素以稳定非晶结构 [27]，[28]。自20世纪90年代初发现以来，GMI效应作为一种新型磁传感机制，在包括磁传感器、存储设备和生物传感器在内的多个领域得到了广泛应用。基于GMI的生物传感器的基本原理是利用材料阻抗对外部磁场的响应特性变化来实现检测。
在本研究中，我们使用基于钴的AMs作为传感元件开发了一种高灵敏度的GMI生物传感器。经过系统研究后，成功将其应用于LPS的检测，LPS是败血症的关键生物标志物。为了评估检测效果和可靠性，我们分析了生物功能化AMs对磁珠（MBs）的反应信号，其中超顺磁MBs在亥姆霍兹线圈产生的外部磁场作用下被磁化。在GMI生物传感器的开发过程中，大多数研究人员选择使用非晶带或薄膜作为传感元件，主要是因为它们具有较大的有效传感面积。尽管AMs在磁阻性能上明显优于非晶薄膜和带状材料，但其相对较小的有效传感面积限制了其在生物分子检测中的应用。通过采用等间距阵列结构，我们显著增强了传感性能，实现了1.8 pg/mL的LPS检测限。此外，我们还设计并制造了一种紧凑型生物传感器测试装置，其LPS检测限达到了13.1 pg/mL，有望替代传统的大型高成本仪器。
试剂
LPS购自Sigma-Aldrich Trading Co. Ltd（中国上海）。Dynabeads? MyOne? Streptavidin C1磁珠（SA-MBs，约1 μm）购自Thermo Fisher Scientific Inc.（中国上海）。硫醇化生物素（Biotin-PEG-SH）购自上海Aladdin Biochemical Technology Co. Ltd。磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH 7.4）购自北京兰杰科科技有限公司。牛血清白蛋白（BSA）购自上海源业生物科技有限公司。
生物功能化AMs检测磁珠
实验表明，非晶微线表面的生物功能化过程是成功且有效的。首先，在金溅射过程中，金元素均匀分布在微线表面，形成了均匀的金纳米颗粒涂层（图S5）。金溅射玻璃片与硫醇化生物素溶液之间的接触角降至62.3°，与去离子水相比（图S6），表明硫醇化生物素与微线之间有强烈的结合
结论
总结来说，我们证明了基于GMI效应的AMs生物传感器能够高效且灵敏地检测LPS。单根非晶微线可以有效地检测浓度范围为100 ng/mL至1 mg/mL的磁珠。所构建的五线等间距阵列结构非晶微线传感器单元进一步提高了传感器的灵敏度和检测范围，将磁珠的检测范围扩展到100 pg/mL至1 mg/mL，同时降低了定量误差。
CRediT作者贡献声明
王宇晨：撰写——初稿，研究，数据分析。林俊：数据分析。秦发祥：撰写——审稿与编辑，监督，资源管理，项目管理，方法学研究，数据分析，概念构思。戴安娜·埃斯特韦兹：撰写——审稿与编辑，数据分析。黄富江涛：方法学研究，研究。刘星宇：方法学研究，数据分析。杨雅倩：方法学研究，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所述的工作。
致谢
本研究得到了国家自然科学基金（NSFC）项目编号52473267和52401249、浙江省自然科学基金（ZJNSF）LZ25E030006、浙江省重点研发计划（2024C01157）、国家重点研发计划（项目编号2021YFB3501504和2021YFE0100500）以及浙江大学宁波“五位一体”校园项目（K-20213539）的支持。作者感谢萨尔塔天主教大学材料跨学科研究小组（Grupo Interdisciplinario en Materiales-IESIING）的Javier A. Moya博士提供的帮助。
王宇晨获得天津大学材料科学与工程学士学位，目前正在浙江大学攻读硕士学位，她的研究方向是GMI生物传感器。
