深圳大学高等研究院李正研究员课题组近期在疾病即时诊断与公共安全与健康监测领域取得多项研究成果，在分析化学领域权威期刊Analytical Chemistry（中科院大类/小类一区，Nature Index收录期刊）发表一系列研究论文。

4月25日，课题组报道了一款基于酶联免疫吸附反应的阵列式微流控芯片传感器（ELISA-HB-Chip），用于生物气溶胶内食物过敏原的快速、高灵敏度检测。食物过敏对人类健康的威胁日益增大，轻者可能引发呼吸道系统、皮肤、肠胃等疾病，重者可能导致死亡。但一些特定场景例如环境大气中的食源性过敏原，往往难以察觉和躲避，吸入危害远甚于常规过敏源通过食物摄入。而传统食物过敏原检测方法依赖大型仪器，对操作人员技能要求高，限制其在野外场景中的应用。因此对气溶胶过敏原的原位实时监测方法迫在眉睫。

本工作创新性地以含食物过敏原的生物气溶胶为研究对象，以微流控芯片为实验平台，利用免疫亲和基本原理，探索食物过敏原实时监控新方法。该微设备尺寸小，同时集成荧光显微成像和气溶胶上样功能，具有功能齐全、便携等优点，便于在野外环境使用，且不依赖任何大型设备。从而可及时展示检测结果，为过敏患者避免接触食物过敏原提供实时、准确的指导。相关成果以“Enzyme-Linked Immunosorbent Assay-Based Microarray on a Chip for Bioaerosol Sensing: Toward Sensitive and Multiplexed Profiling of Foodborne Allergens”为题发表于Analytical Chemistry上。高等研究院博士后陈小锋为论文第一作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.3c00591。

图1.检测芯片示意图。（A）ELISA-HB-Chip设计与捕获抗体修饰；（B-C）PDMS材料制备的纵向和横向流道芯片实物图；（D）ELISA法检测食物过敏原原理图；（E）SEM表征横向流道；（F）多靶标过敏原检测阵列荧光图；（G）过敏原检测阵列荧光强度数字化结果。

9月22日，课题组报道了一项创新的研究成果，成功地将二维材料电化学阻抗信号的阵列式气体传感器与混匀微流道技术相结合，用于实时监测尿液中的挥发性物质，并对尿路癌症进行准确诊断和分类。尿路癌症包括膀胱癌、前列腺癌和肾细胞癌等，是恶性程度最高的肿瘤之一，发病率和死亡率都很高。目前，对尿路癌症的检测和监测常常依赖于侵入性的肿瘤组织病理学和影像学特征检验方法。挥发性代谢物可以反映个体的生理和病理状况，已成为无创检测癌症的理想生物标志物。然而，目前仍然缺乏一种便携式实时检测的方法，能够解读复杂的电化学阻抗信号，并全面区分表型相似的尿路癌症。

本研究创新性地报道了一种受乐高启发的电化学阻抗式挥发性分析系统（CVPS），该系统可以实时、多重地监测尿液中的挥发性有机化合物标志物，并且可以在智能手机上对处于不同阶段或转移状态的尿路癌症进行早期检测和分类。CVPS的核心部分是一个八通道气体传感阵列，由带正电的MXene材料与八种带负电的TMDC材料复合而成。这些传感芯片嵌入到类似乐高的单元中，当接触到挥发性有机化合物时，通过无线监控将单个芯片的电信号实时传输到移动设备上。借助一体化的POCT和有效的机器学习算法，该技术可以在几分钟内对尿路癌症亚群（即肿瘤亚型、分期、淋巴结转移和远处转移）的健康或患病样本进行可靠的识别分类，并且具有很高的灵敏度和特异性。该研究成果以“Rapid Diagnosis of Urinary Tract Cancers on a LEGO-Inspired Detection Platform via Chemiresistive Profiling of Volatile Metabolites”为题发表在Analytical Chemistry上。该论文的第一作者是高等研究院的研究生孙琳琳。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acs.analchem.3c03252。

图2.电化学阻抗式挥发性分析系统（CVPS）用于尿液挥发物检测的示意图。首先构建基于二维材料复合物的乐高式气体传感元件，组装在便携式一体化传感平台上，通过对尿液样本鼓泡产生挥发气进行传感检测。电化学阻抗信号通过蓝牙传输到手机，通过卷积神经网络算法对数据进行训练学习，最后对样本所属健康或疾病类别进行预测分类。

10月2日，课题组报道了一种通用的微流控- SERS条形码系统（MSBS），用于四种关键miRNA的多重检测，进而区分癌症与健康人群，对癌症的不同分期和亚型进行分类，预测癌症转移的发生，最终用于早期癌症诊断。miRNAs是一类进化上保守、内源性、非编码、循环的小RNA。miRNA的表达失调与包括癌症和心血管疾病在内的许多疾病的发病密切相关。研究表明，特定肿瘤的出现可能与多种miRNA的异常表达有关。因此，一种有效的miRNA和相关癌症疾病的分析方法对于液体活检中及时准确的临床诊断是必不可少的。

在这项工作中，开发了一种通用的基于表面增强拉曼散射（SERS）的微流控编码系统，通过量化编码的纳米棒聚集体在等离子体纳米间隙中的拉曼信号，对多种miRNA进行高灵敏度成像分析。以单层垂直紧密排布的纳米棒阵列为SERS增强基底，可以产生大量基于等离子体耦合的电磁场热点，从而极大地增强拉曼信号。引入鱼骨形微流控芯片作为微混匀器可以有效加速等离子体基底上纳米棒聚集体的杂交和捕获，从而将检测时间缩短至< 1小时。该方法可以在fM水平上对四种靶标miRNAs进行高灵敏度检测，并具有临床样品的多重检测能力。二维成像和一维条形码模式的miRNA分析可以明确区分癌症和健康人群，并准确区分肿瘤亚型、分期，以及判断远处转移情况。因此，基于SERS的微流控编码系统在癌症诊断和预后的临床应用中具有广阔的应用前景。相关成果以“Interfacial Profiling of MicroRNAs at Patterned Nanogaps for an Integrated Microfluidic-SERS Liquid Biopsy”为题发表于Analytical Chemistry上，并入选当期正封面。高等研究院博士后卢晓慧为论文第一作者。

论文链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acs.analchem.3c02945

图3.论文正封面与微流控-SERS条形码系统（MSBS）检测多种miRNA和早期癌症诊断的原理示意图。（a）芯片上进行血清样品分析。流道内的微混合效应和纳米棒垂直阵列间的循环纳米混合力驱动纳米棒的杂交和纳米棒聚集体的捕获。（b）对I-IV期癌症患者和健康人的血清样本进行芯片上SERS图谱采集并进行区分。SERS图谱上的伪色反映了各种miRNA生物标志物的表达水平。

以上工作李正研究员均作为唯一通讯作者。成果得到国家自然科学基金面上项目、广东省自然科学基金杰青项目、深圳大学2035卓越研究计划等项目的支持。