综述：SPRi传感器的进步：提升小分子检测性能

《Optics & Laser Technology》：Advances in SPRi sensors: Enhancing performance for small-molecule detection

表面等离子体共振成像（SPRi）因灵敏度低、特异性不足和高通量受限，在小分子检测中面临挑战。本文系统综述了通过光学系统优化（角度、波长、强度检测）、传感器结构创新（双金属膜、金属-绝缘体-金属结构、超表面设计）、界面化学工程（抗吸附修饰）和微流控集成提升SPRi性能的策略，强调多参数协同优化的重要性，并展望了跨学科技术融合带来的临床转化潜力。

　　

陈宏|张殿云|李斌|杜华龙|王琦

中国东北大学信息科学与工程学院，沈阳110819

摘要

在表面等离子体共振成像（SPRi）中，由于小分子的分子量低、折射率（RI）变化微弱以及结合亲和力低，其定量检测一直具有挑战性，这些因素导致在复杂基质中产生的信号接近系统噪声水平。作为一种无标记、实时的光学检测技术，SPRi具有空间分辨率，为监测界面分子相互作用提供了独特的优势。然而，其在小分子分析中的实际性能仍受灵敏度、特异性和通量的限制。本综述全面系统地总结了近期SPRi传感器工程领域的进展，旨在克服这些瓶颈。综述首先分析了SPR和SPRi的基本原理以及小分子检测中的核心挑战，然后重点讨论了三个主要领域的性能提升策略：（i）通过光学系统优化提高灵敏度，包括角度、波长、强度和相位检测方面的改进，结合漂移补偿以及引入高光谱/显微成像技术以增强对微妙RI变化的检测；（ii）通过传感器结构优化提高性能，如双金属膜、金属-绝缘体-金属结构、超表面设计和纳米材料辅助的局部场增强策略，显著提高了信号强度和灵敏度；（iii）通过高效识别元件设计、抗污染界面构建以及多识别单元的协同使用提高小分子检测的特异性。同时，综述还探讨了基于阵列的架构和微流控技术在高通量检测中的应用，并分析了响应时间、再生能力和重复性等因素对SPRi稳定性的影响。最后，展望了纳米材料、合成生物学、微流控技术和数据驱动方法的跨学科整合，这些技术有望推动SPRi技术向微型化、智能化和临床应用方向发展，使其成为高性能的小分子检测平台。

引言

小分子（通常分子量低于1000 Da）的检测在生物分析、临床诊断、环境监测和药物开发中起着关键作用[1]。然而，由于其分子量低、折射率（RI）变化微弱以及固有的快速结合-解离动力学，小分子的可靠定量仍然是生物传感领域最持久的挑战之一[2]。传统的分析方法（如ELISA、质谱和色谱技术）虽然灵敏度较高，但通常需要广泛的标记、复杂的预处理或较长的处理时间，因此不适合在复杂基质中进行实时、高通量监测[3]、[4]、[5]。

表面等离子体共振成像（SPRi）是经典表面等离子体共振（SPR）的扩展，作为一种强大的无标记技术，能够以时间和空间分辨率探测界面相互作用[6]、[7]、[8]。通过同时监测数百个传感位点，SPRi已被广泛应用于蛋白质-蛋白质相互作用、核酸杂交、药物-靶标结合和细胞表面过程的表征[9]。尽管具有这些优势，SPRi在应用于小分子检测时仍面临根本性限制。小分子结合引起的极微弱的RI变化常常接近传统SPRi平台的噪声水平[10]、[11]。此外，特异性经常受到非特异性吸附和基质效应的影响，而检测通量则受到光学配置和芯片设计的限制[12]。这些挑战共同限制了SPRi在需要敏感、选择性和快速小分子分析的应用场景中的广泛应用。

近年来，通过光学系统优化、先进的传感器结构工程、界面化学设计、纳米材料辅助的信号放大和微流控集成[13]、[14]，在解决这些限制方面取得了实质性进展。新兴策略（如相位和光谱探测方案、双金属和超表面架构、协同多机制增强、抗污染界面修饰以及高密度微阵列或多通道微流控平台）显著提高了SPRi传感器的灵敏度、特异性和通量。此外，再生化学、信号处理算法和机器学习辅助解释的进步进一步提高了其在实际样品中的重复性、鲁棒性和适用性[15]、[16]。

尽管付出了这些努力，SPRi系统的性能指标往往独立优化，而没有明确考虑它们之间的内在依赖性。灵敏度、特异性、通量、稳定性和重复性本质上是相互关联的：改善一个参数的策略可能会对其他参数产生正面或负面的影响。为了说明这种相互关系，我们提出了一个概念框架（图1），将这6个关键性能指标围绕在复杂生物基质中检测微弱信号这一核心挑战进行定位。该框架强调了这些参数之间的权衡和协同作用，强调了需要采用协同优化策略，包括纳米材料设计、检测配置和数据驱动的校正方法，以实现稳健和高性能的SPRi传感。通过提供这一整体视角，我们旨在指导未来的传感器开发，并促进多种增强策略在小分子检测中的合理整合。

本综述旨在全面系统地总结这些最新进展。我们首先介绍SPR和SPRi的检测原理，并概述小分子分析中固有的关键挑战。然后讨论了四个主要方面的性能提升策略：灵敏度、特异性、高通量能力和操作鲁棒性（响应时间、再生能力和重复性）。最后，我们强调了向微型化、智能化和临床可部署的SPRi平台发展的当前机遇和可预见趋势。通过整合这些进展，本综述旨在为未来SPRi在小分子检测中的研究和实际应用提供有价值的见解。

部分摘录

SPRi的检测原理

SPRi是一种基于SPR现象的无标记光学检测技术[17]。它实现了生物分子相互作用过程的实时、定量和高通量成像。通过将传统的SPR与成像系统相结合，SPRi不仅保持了高灵敏度，还提高了空间分辨率，使其在生物传感、疾病诊断和药物筛选等领域得到广泛应用[18]。

灵敏度

灵敏度决定了SPRi对低丰度小分子的实际检测限。最近的研究通过光学系统设计、传感器结构设计和协同多机制策略提高了共振斜率，增强了局部电磁场[23]。对于这类目标，即使是在共振斜率、线宽或噪声抑制方面的微小改进也能使可检测信号增强几个数量级[24]。

特异性

在小分子SPRi中，高特异性至关重要，因为微弱信号容易被非特异性吸附掩盖[42]。因此，特异性工程主要关注两种互补策略：高亲和力识别元件和抗污染表面化学（图9）。对于小分子分析物，由于表面质量负载有限，SPRi的响应本身就很弱，因此特异性是可靠检测的关键前提。即使是微小的非特异性

高通量和响应时间

高通量能力和快速响应时间对于SPRi实现复杂生物样品中小分子的实时、并行和多参数分析至关重要[78]。与传统SPR不同，SPRi本身支持多重检测，但通量通常受到阵列密度、微流控设计、样品传输和时间分辨率等因素的限制。同时，响应时间还受到质量传输、界面结合动力学和流体动力学的影响

重复性和再生能力

长期稳定性、实验间重复性和表面再生能力对于将SPRi从实验室研究转化为常规分析和临床应用至关重要，特别是在小分子检测中，因为信号水平本身就很低，需要高度稳定的表面化学。再生程序必须确保识别元件的保存，而信号处理必须在重复循环中保持一致性，以确保数据的可靠性。最近

SPRi增强策略的比较分析

为了解决小分子检测中的固有挑战（例如，折射率变化微弱、结合亲和力低和基质干扰），已经开发了许多增强策略来提高SPRi在灵敏度、特异性、通量和稳定性方面的性能。然而，这些策略往往涉及性能指标、实施可行性和应用范围之间的内在权衡。

结论与展望

SPRi已成为一种多功能平台，用于实时的、无标记的、空间分辨的生物分子分析。在小分子检测中，由于信号本身就很弱，通过先进的光学探测策略、工程化的等离子体纳米结构、纳米材料辅助的信号放大和高亲和力识别元件，已经取得了显著进展。然而，实际性能仍受到一些持续因素的限制，包括系统

CRediT作者贡献声明

陈宏：撰写——原始草稿。张殿云：撰写——审阅与编辑。李斌：撰写——审阅与编辑。杜华龙：撰写——审阅与编辑。王琦：撰写——审阅与编辑，资金获取。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

本工作得到了国家自然科学基金（项目编号62433007和62073068）、非传染性疾病-国家科技重大专项（项目编号2024ZD0528306和2024ZD0528300）、中央高校基本科研业务费（项目编号N2204019）、辽宁省应用基础研究计划项目（项目编号2023JH2/101300179）以及过程合成自动化国家重点实验室的研究资助。