: 基于向列相液晶的光学生物传感器：实现超高灵敏度与定量检测蛋白质的新策略

《Biosensors》：Liquid Crystal-Based Optical Biosensor for Quantitative, Highly Sensitive Detection of Proteins Lorenzo Fiorentini, Raouf Barboza, Maria Logovatovskaya, Elia Rocchetti, Paolo Mariani and Liana Lucchetti

本研究报道了一种基于向列相液晶（NLC）的无标记光学生物传感器，通过创新的样品制备策略，解决了传统液晶生物传感器检测限不高、难以定量的问题。研究人员利用浸渍涂布法在CTAB修饰的表面沉积模型蛋白BSA，通过偏振光显微镜（POM）观察液晶排列扰动导致的延迟变化，实现了对蛋白质的定量检测，检测限低至10?13g/mL，较同类技术有数个数量级的提升，并展现了该方法在抗体检测和蛋白特异性识别方面的潜力，为高灵敏、可视化生物传感提供了新方案。

　　

在生物医学检测和生物化学研究领域，对蛋白质等生物标志物进行快速、灵敏且无需复杂标记的检测，一直是科学家们追求的目标。传统的检测方法，如酶联免疫吸附测定（ELISA），虽然灵敏，但往往步骤繁琐、需要标记、且成本较高。有没有一种方法，能够像“看”一样直观地检测到极微量的蛋白质呢？向列相液晶（NLC）提供了一种独特的可能性。作为一种兼具流动性和光学各向异性的神奇材料，液晶分子的排列方向会对外界环境（如附着在其表面的生物分子）极其敏感，这种微小的扰动可以被偏振光显微镜（POM）放大并转化为可见的光学信号变化，从而构建出无需标记的“光学放大器”——液晶生物传感器。

然而，尽管原理诱人，早期的液晶生物传感器在实际应用中却面临两大瓶颈。其一，灵敏度（通常指检测限）有限，大多在10^?8g/mL量级，难以满足对痕量生物标志物的检测需求。其二，信号响应与目标物浓度之间往往缺乏明确、定量的对应关系，使得这类传感器多停留在“有或无”的定性判断层面，限制了其定量分析的应用价值。为了突破这些限制，由Lorenzo Fiorentini, Raouf Barboza, Maria Logovatovskaya, Elia Rocchetti, Paolo Mariani 和 Liana Lucchetti组成的研究团队在《Biosensors》期刊上发表了一项研究，他们通过巧妙地优化样品制备工艺，成功开发出一种兼具超高灵敏度与定量能力的液晶光学生物传感器，将蛋白质检测的灵敏度推向了前所未有的10^?13g/mL（飞摩级）新高度。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术方法：首先是表面功能化与浸渍涂布技术，使用阳离子表面活性剂CTAB对玻璃基底进行修饰，作为液晶的垂直排列层和生物识别元件，然后采用浸渍涂布法均匀沉积模型蛋白（如牛血清白蛋白BSA或β-乳球蛋白BLG）；其次是液晶盒组装与光学表征，将向列相液晶5CB通过毛细作用填入由功能化玻璃和聚酯薄膜垫片构成的腔室中，形成不同厚度的液晶盒，并利用偏振光显微镜（POM）在交叉偏振器或交叉圆偏振器下观察和记录样品的图像、颜色及亮度变化；最后是图像分析与数据量化，通过Python编程处理POM图像，使用自制的Michel-Levy干涉色图定量计算液晶盒的双折射率，或通过分析像素平均亮度来评估信号强度，从而建立光学信号与蛋白质浓度之间的定量关系。

3.1. 单BSA功能化（混合排列盒）

当仅在其中一个CTAB处理过的基底上沉积BSA时，液晶盒呈现混合排列。研究人员通过交叉圆偏振器下的POM图像颜色，利用自制的Michel-Levy色图定量计算了盒子的双折射率（Δn）。研究发现，在BSA浓度（c_BSA）≥ 10^?6g/mL时，能获得均匀的纹理和颜色，且Δn随c_BSA增加而单调增加，最高可达5CB本征双折射率的一半左右，这为实现定量传感奠定了基础。对于更低浓度（c_BSA≥ 10^?8g/mL），虽然纹理不均匀，但仍可进行定性检测。

3.2. 双BSA功能化（平面排列盒）

为了大幅提高检测限，研究人员在两个基底上都沉积BSA，并增加了液晶盒的厚度（约23 μm）。这种策略削弱了CTAB表面对液晶体相的锚定作用，使得液晶的垂直排列更易被低浓度的蛋白质扰动。此时，液晶呈现沿浸涂方向的均匀平面排列。由于厚度较大，POM图像不显颜色，研究人员转而分析图像的像素平均亮度（亮度）。结果显示，亮度在低浓度区随c_BSA增加，在高浓度区饱和。最关键的是，该方法将检测限显著提升至惊人的10^?13g/mL（1.5 fM），比单面涂布策略提高了5个数量级。

3.3. 抗体检测

研究还探索了该生物传感器在免疫检测中的应用。在单面沉积了低浓度BSA（10^?7g/mL）的混合排列盒上，进一步浸涂多克隆抗BSA抗体。POM图像显示，与未加抗体的对照组相比，加入抗体后细胞的亮度发生了明显变化，这证明了该传感器可用于检测抗体，并可能用于研究蛋白质-抗体的特异性相互作用。

3.4. BLG实验

为了评估传感器的特异性，研究人员用另一种蛋白质β-乳球蛋白（BLG）进行了平行实验。在混合排列盒中，BLG同样能引起双折射率Δn随浓度增加，但其Δn-c曲线与BSA的曲线明显不同，这表明传感器对不同蛋白质的响应具有差异性，即具备一定的特异性。然而，在双面涂布的厚平面盒中，BLG的检测限仅为10^?8g/mL，比BSA差了至少4个数量级。分子动力学模拟表明，这可能是由于BSA带有更强的负电荷，与带正电的CTAB之间的静电相互作用更强，且BSA含有更多能与5CB发生π-π堆积相互作用的芳香族氨基酸结合口袋。

综上所述，这项研究通过精心的实验设计，特别是采用浸渍涂布法进行蛋白质沉积、选用CTAB作为排列剂兼生物识别元件、以及构建双面蛋白涂布的厚平面盒等策略，成功开发出一种性能卓越的液晶光学生物传感器。其重要意义在于：第一，实现了超高灵敏度，检测限达10^?13g/mL，在同类简单液晶盒系统中处于领先水平；第二，实现了定量检测，在单面功能化的混合盒中，建立了蛋白质浓度与液晶双折射率之间的明确函数关系；第三，展现了良好的应用潜力，不仅可用于蛋白质检测，还能用于抗体检测，并对不同蛋白质（BSA与BLG）表现出差异化的响应，暗示了其具备向特异性生物传感器发展的潜力。所有这些优势都集成在一个结构简单、成本低廉、且信号可视化的系统中，使得即使是非专业人士也能进行操作和判读，为未来开发便携式、现场即时检测（POCT）设备提供了新的技术思路。