综述：多路生物传感技术：用于生物标志物分析的表面等离子体共振平台综述

《Talanta》：Multiplexed biosensing: A review of surface plasmon resonance platforms for biomarker analysis

本文综述了表面等离子体共振（SPR）技术及其衍生方法（如LSPR和SPRi）在多分析物检测中的应用，探讨了材料创新、机器学习整合、技术对比及未来发展方向，为复杂疾病诊断提供高效工具。

　　

Zahra Hashemi|Faride Ranjbari|Václav Ranc|Farzaneh Fathi

伊朗阿尔达比勒医科大学生物传感器科学与技术研究中心

摘要

表面等离子体共振（SPR）已成为一种重要的光学技术，用于实时、无标记地分析生物分子相互作用。虽然其在检测单一分析物方面的应用已经得到广泛认可，但疾病诊断的复杂性不断增加，因此需要能够同时检测多种分析物的工具。许多复杂疾病（如癌症）涉及多种生物标志物；反之，一个生物标志物也可能与多种不同的疾病相关联。本文重点介绍了基于SPR的生物传感器在多重检测方面的最新进展。我们深入探讨了在各种SPR平台上实现多重检测的机制和材料，包括传统的基于棱镜的SPR、局域表面等离子体共振（LSPR）以及SPR成像（SPRi）。这些技术通过同时测量多种生物标志物及其比值，提供了更全面的疾病信息，从而克服了单一分析物检测的局限性。文章还通过免疫传感器、适配体传感器和基于蛋白质的检测方法，展示了当前多重SPR系统的性能。最后，讨论了在SPR检测中应用机器学习的方法，比较了不同的SPR生物传感技术，并指出了提高传感器性能、在复杂基质中进行分析以及扩展多重SPR应用的前景。

引言

准确且早期地诊断癌症、心血管疾病和传染病等复杂疾病是现代医学的基石[1,2]。然而，病理状态通常不是由单一分子事件决定的，而是由复杂的生物分子网络所驱动的[3]。特别是在癌症中，单一生物标志物往往不足以全面反映疾病的阶段、患者状况以及肿瘤的高度可变微环境[4,5]。这一需求推动了多重生物传感技术的重大创新，这种技术能够从单个样本中并行定量检测多种分析物[6]。因此，人们投入了大量精力开发基于多种技术的多重检测平台[7]，包括电化学方法、荧光技术、电化学发光（ECL）以及一系列光学技术，如荧光共振能量转移（FRET）、表面增强拉曼光谱（SERS）和光子晶体[8],[9],[10],[11],[12],[13]。在这些技术中，利用光吸收、反射、荧光和发光等原理的光学生物传感平台因其高灵敏度和高通量筛选潜力而尤为强大[14]。 在这一领域中，SPR及其衍生技术（如LSPR和SPRi）因其无标记、实时和高灵敏度的检测能力而脱颖而出[15],[16],[17],[18]。SPR平台的多样性使其能够成功应用于复杂的多重分析系统中。例如，SPRi可以在功能化阵列上空间分辨结合事件，而LSPR则利用纳米结构材料实现不同分子相互作用的并行监测[19,20]。SPR生物传感器从单一通道分析工具发展成为多功能的多重检测平台，这一演变得益于关键的技术进步。下图展示了这三种主要方法的发展历程（图1）。 本文致力于探讨基于SPR的生物传感器在多重生物标志物检测方面的最新进展。我们将深入研究实现这些平台多重检测的基本机制，分析创新材料、检测设计以及提高复杂临床基质中检测性能的策略。同时，文章还讨论了将机器学习应用于SPR检测的方法，比较了不同的SPR生物传感技术，并指出了未来的发展方向。

基于SPR的生物传感器概述

SPR生物传感器凭借其高灵敏度和定量监测结合事件的能力，成为无需标记即可实时研究生物分子相互作用的强大分析工具[21,22]。它们被广泛应用于药物发现、蛋白质组学、免疫检测和诊断领域。生物传感器是一类化学传感器，通过生物识别过程实现高灵敏度和低检测限（LOD）的检测[23]。

免疫传感器

用于多重生物标志物检测的免疫传感器代表了诊断技术的一项重大进步[53]。这些基于SPR的生物传感器能够实现多种分析物的实时、无标记和同时定量[54]。通过用特定的抗体功能化传感器表面，SPR免疫传感器提供了高灵敏度和特异性，通过单一高效的分析方法彻底改变了早期疾病检测和个性化医疗的方式[55]。

机器学习在SPR多重检测中的应用

将机器学习（ML）与SPR生物传感器结合是一种有效的策略，用于应对多重生物标志物检测日益增加的复杂性[88,89]。传统的SPR数据分析常常面临光谱噪声、信号重叠、基线漂移、非特异性结合以及处理复杂生物样本中的多分析物数据的计算复杂性等问题[25,90]。机器学习技术（如随机森林回归、分类算法等）有助于解决这些问题。

基于SPR的生物传感技术的比较分析

为了明确区分三种主要的SPR技术，表2总结了基于棱镜的SPR、局域表面等离子体共振（LSPR）和SPR成像（SPRi）之间的关键差异。该表列出了主要原理、主要优势（如传统SPR的高灵敏度、LSPR的简单光学设计和低成本、SPRi的高通量多重检测能力）、固有的缺点和方法学限制（包括通量、定量和系统复杂性）等。

总结与未来展望

总之，适配体、抗体和蛋白质与SPR技术的结合极大地推动了多重生物标志物检测领域的发展。传统的棱镜耦合SPR为动力学结合研究提供了可靠的定量基础，而LSPR则利用纳米结构材料提高了灵敏度和微型化程度。SPRi实现了真正意义上的多重检测，能够高通量、同时筛查数十种生物标志物。

作者贡献声明

Zahra Hashemi：撰写初稿、进行研究。 Faride Ranjbari：撰写初稿、制定方法论、进行研究。 Václav Ranc：审稿与编辑、制定方法论。 Farzaneh Fathi：审稿与编辑、数据可视化、验证、监督、研究、概念构思。

伦理批准

不适用。

资助

本研究由伊朗国家医学研究与发展研究所（NIMAD）资助（项目编号：4021295）。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

作者感谢阿尔达比勒医科大学和塔布里兹医科大学Al-Zahra医院的临床研究发展部门提供的建议和帮助。