《Sensors and Actuators A: Physical》：Sensitive albumin detection method using an MTJ-based transducer with a biosynthesized magnetic label at a low bias magnetic field
编辑推荐：
本研究提出了一种基于磁隧道结传感器和生物合成铁氧化物/银纳米颗粒的BSA检测新方法。实验表明，该方法在低磁场（2.8 Oe）下实现了1.8 μM的超低检测限，相对标准偏差为0.006%-1.6%，且无需数字信号处理即可保持稳定输出电压。该技术克服了传统GMR传感器的高磁场需求和噪声大等问题，为微白蛋白尿筛查提供了高效、低成本的解决方案。
Nur Aji Wibowo | Samarthya Lykamanuella | Dera Anastasya Putri | Lorin Parqista Lase | Agi Karunia Putra | Dewi K.A. Kusumahastuti | Demas Sabatino | Vector Stephen Dewangga | Omry Tri Asmara Adi | Pinaka Elda Swastika | Candra Kurniawan | Edi Suharyadi | Budi Purnama | Riyan Mendonsa
印度尼西亚萨拉蒂加市Satya Wacana基督教大学物理系，邮编50711
摘要
对于微白蛋白尿筛查而言，需要高度敏感的牛血清白蛋白（BSA）检测方法，该方法应具有低噪声水平和低偏置磁场特性。本研究提出了一种新型的高灵敏度BSA检测方法，该方法将磁隧道结传感器与超小尺寸的氧化铁/银磁标记物结合在一起，该磁标记物是通过芦荟提取物生物合成的。这种磁标记物具有软磁性质，饱和磁化为30 emu/g，磁剩磁为5.2 emu/g，矫顽力为69 Oe，其形状接近球形，尺寸仅为（6.9 ± 1.06）nm。初步的体内血液学评估结果初步展示了这种生物合成氧化铁/银纳米颗粒的生物相容性。研究表明，磁场调节能够提升传感器性能，提高BSA检测的灵敏度并降低检测限（LoD）。该传感器对BSA的检测灵敏度非常高，在2.8 Oe的低偏置磁场下，检测限可达到1.8 μM。所提出的传感器系统相对标准偏差很小，范围在0.006%至1.6%之间。此外，该传感器在无需数字信号处理的情况下可稳定输出电压长达60秒，这表明其具有低噪声水平以及出色的精度和重复性。
引言
白蛋白检测对于早期诊断疾病（如微白蛋白尿）至关重要，微白蛋白尿是肾脏疾病和心血管风险的预警指标，尤其是在糖尿病患者或高血压患者中，其特征是尿液中的白蛋白水平异常低。用于微白蛋白筛查的生物传感器应具有至少0.3 mg/mL（约4.5 μM）的检测限[1]。由于结构相似、成本效益高且易于获取，牛血清白蛋白（BSA）常被用作人类白蛋白的替代品。目前已开发出多种基于BSA的微白蛋白筛查方法。虽然一些新型传感器（如利用光学[2]或等离子体[3]方法的传感器）能够满足微白蛋白尿检测的检测限要求，但由于操作复杂且检测结果延迟，它们并不适合早期筛查。相比之下，巨磁阻（GMR）传感器虽然提供了更简单的实时检测方式，但其灵敏度不足，需要较高的偏置磁场，并且存在较大的信号噪声[4],[5],[6]。另一种具有改进BSA检测潜力的磁阻平台是基于磁隧道结（MTJ）的生物传感器，该传感器利用了隧道磁阻（TMR）效应。TMR是指在MTJ结构中，由于两个铁磁层（自由层FL和固定层PL）之间的相对磁取向不同，导致电阻发生显著变化的现象。MTJ依赖于电子通过绝缘层（IL）时的自旋依赖性量子隧穿机制，从而实现高电阻状态与低电阻状态之间的转换[7]。与GMR相比，TMR技术更为灵敏，因为TMR元件依靠自旋依赖的量子隧穿效应，而GMR则依赖于金属层中的自旋依赖性散射。TMR元件的电阻比GMR元件更高，这是因为TMR利用了更有效的隧穿屏障。此外，TMR在反平行状态下能够完全阻断电子流动，从而产生明显的“开/关”或“1/0”状态，具有更好的电阻对比度，使其更适合检测微弱磁场[8]，适用于生物医学传感器等敏感应用。基于光学的生物传感器虽然灵敏度高，但在微型化、背景噪声降低和样品制备简便性方面，基于TMR的传感器具有明显优势，更适合即时检测。
使用MTJ传感器结合磁标记物进行BSA检测的工作原理是：附着在BSA蛋白上的磁标记物会产生杂散磁场，干扰FL的磁化状态，从而降低FL与PL之间的对齐程度。这种错位减少了电子通过传感器绝缘屏障的隧穿概率，增加了电阻并改变了输出电压。为了有效发挥作用，磁标记物必须具有足够的杂散磁场来干扰传感器的磁层，并且需要适当包覆以与BSA蛋白结合。选择氧化铁/银纳米颗粒（NPs）作为磁标记物，因为氧化铁提供了所需的强杂散磁场强度，而银则有助于与BSA结合[9]。为了推动绿色化学的可持续发展，需要探索利用芦荟（AV）提取物生物合成氧化铁/银NPs的方法。芦荟中的天然化合物（如黄酮类和有机酸）可作为还原剂和稳定剂，促进氧化铁[10]和银NPs[11],[12]的形成，而无需使用有害化学物质。这种方法不仅成本低廉，而且易于规模化生产。然而，目前尚未开展利用AV提取物生物合成氧化铁/银NPs的研究。
此外，现有的基于GMR的BSA检测传感器通常采用化学方法合成氧化铁/银作为磁标记物，这会产生有害副产物。Wibowo等人使用块状GMR传感器和化学合成的磁铁矿/银纳米复合材料进行BSA检测，在2.8 Oe的偏置磁场下，检测限为0.4 mg/mL，相对标准偏差为8–16%[4]。Wibowo等人使用GMR芯片和类似的磁标记物在4 Oe的偏置磁场下进行BSA检测，检测限为1.4 mg/mL，相对标准偏差为1–70%[5]。Zurnansyah等人使用GMR芯片和基于辣木提取物生物合成的磁铁矿/rGO作为磁标记物，在4 Oe的偏置磁场下进行BSA检测，检测限为0.3 mg/mL，相对标准偏差为1–5.6%[6]。这些结果表明，现有方法在微白蛋白尿检测方面的灵敏度不足，需要较高的偏置磁场，并且存在信号噪声问题。因此，本文提出了一种新的高灵敏度BSA检测方法，该方法结合了基于MTJ的传感器和利用AV提取物生物合成的氧化铁/银纳米复合材料。本研究的主要贡献是一种新的检测方法，能够在低噪声和低偏置磁场条件下实现更好的BSA检测限，同时采用环保的磁标记物合成技术。
磁标记物（氧化铁/银NPs）是通过绿色化学方法合成的，其中使用芦荟提取物作为还原剂和稳定剂。芦荟提取物粉末购自印度尼西亚的Seduh Tisane公司。所用化学品包括氢氧化铵（NH?OH）、六水合三氯化铁（FeCl?·6H?O）、七水合硫酸亚铁（FeSO?·7H?O）、3-氨基丙基三甲氧基硅烷（APTMS）和硝酸银（AgNO?），均为分析级。
芦荟提取物在氧化铁/银NPs的合成中起着关键作用，既充当封端剂也充当还原剂。提取物中的植物化学物质（尤其是多酚和黄酮类中的羟基（?OH）可作为还原剂，将溶液中的Fe3?离子还原为Fe2?，从而实现合成纯磁铁矿（Fe?O?）结构所需的2:1化学计量比。
本文开发了一种基于MTJ生物传感器的灵敏白蛋白检测系统，该系统使用芦荟提取物生物合成的氧化铁/银纳米颗粒，在低噪声和低偏置磁场条件下实现白蛋白检测。传感器中的磁标记物呈近似球形，尺寸约为6.9 nm，具有软磁性质，饱和磁化为30 emu/g，磁剩磁为5.2 emu/g，矫顽力为69 Oe。初步的体内血液学评估结果初步展示了该传感器的性能。
Riyan Mendonsa：撰写、审稿与编辑、软件开发。
Budi Purnama：撰写、审稿与编辑。
Edi Suharyadi：撰写、审稿与编辑。
Nur Aji Wibowo：撰写、审稿与编辑、初稿撰写、可视化处理、验证、软件应用、资源管理、方法设计、实验设计、资金申请、数据分析、概念构思。
Demas Sabatino：撰写、审稿与编辑、项目监督、资金申请。
Kusumahastuti Dewi K. A.：
本研究得到了印度尼西亚高等教育、科学与技术部研究及社区服务局的常规基础研究基金的支持，合同编号为：127/C3/DT.05.00/PL/2025。
作者声明他们没有已知的可能影响本文研究结果的财务利益或个人关系。
作者感谢厦门大学（中国）的Diqing Su教授、明尼苏达大学（美国）的Jian-Ping Wang教授以及美国国家标准与技术研究院的Michael J. Donahue教授对OOMMF代码的支持。
Nur Aji Wibowo是印度尼西亚萨拉蒂加Satya Wacana基督教大学物理系的副教授。他于2022年获得日惹Gadjah Mada大学的博士学位。他的研究兴趣包括磁性、磁性纳米结构和自旋电子学。他在Satya Wacana基督教大学物理系领导磁性纳米材料研究小组，专注于基于磁性的传感器开发，并从事磁性计算相关研究。
