新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）是由國際病毒分類委員會指定的“嚴重急性呼吸系統綜合征冠狀病毒2型”病毒（SARS-CoV-2）引起的。由于這種病毒具有高度傳染性，可導致嚴重的呼吸道疾病，進而引起死亡，世界衛生組織（WHO）于2020年3月11日將COVID-19疫情列為大流行。在大流行中，提供快速、準確和便捷的診斷方法來檢測感染和監測免疫反應，對于治療、減輕、控制和管理疾病的傳播至關重要。

目前，用于檢測和監測SARS-CoV-2感染的主要實驗室診斷工具可分為以下幾類：（1）識別病毒RNA的工具；（2）檢測病毒抗原的工具；（3）檢測病毒感染時體液反應中產生的抗體的工具。其中，利用實時逆轉錄聚合酶鏈反應（RT-PCR）檢測病毒RNA是診斷活動性感染的金標準。然而，該技術容易受到樣本處理問題和病毒突變的影響，從而可能分別導致假陽性和假陰性的檢測結果。而抗原檢測是通過對病毒中存在的蛋白質（如N和S蛋白）進行免疫檢測，以確定活動性感染。基于側向流動檢測的快速抗原檢測因具有易于使用、價格低廉、可在5-30分鐘內提供檢測結果的優勢，已成為COVID-19即時診斷的代名詞。然而，與RT-PCR相比，快速抗原檢測的靈敏度較低。

與以上兩種方法對應，抗體或血清學檢測方法用于檢測人體內是否存在SARS-CoV-2抗體。由于抗體是由免疫系統的B細胞對病毒感染做出反應而產生的，陽性的血清學檢測結果表明人體在過去或當下受到了病毒感染。此外，這些檢測可以幫助減少假陽性和假陰性檢測結果的數量，是病毒RNA和病毒抗原檢測的重要補充。事實上，血清學檢測相比病毒RNA和抗原檢測有一些優勢，比如檢測窗口更長；并且與病毒RNA相比，人體抗體更穩定；另外，采集血液比采集呼吸道樣本更安全；同時，血液中的抗體比呼吸道樣本中的病毒分布更均勻；且血清學檢測不需要在生物安全二級（BSL-2）實驗室進行。此外，抗體檢測在診斷涉及病毒RNA檢測陰性或無癥狀感染的疑似病例以及在群體水平進行接觸者追蹤、疫情發展監測、病毒來源追蹤和流行病學評估等方面發揮著重要作用；這些檢測還在監測免疫反應以評估免疫的進程、程度和持久性，確定處于康復期的潛在獻血人員，開發和評估治療性抗體，以及開發和評估疫苗方面發揮作用。

據麥姆斯咨詢報道，近期，來自加拿大阿爾伯塔大學（University of Alberta）的研究人員于Microsystems & Nanoengineering期刊發表了題為“Label-free impedimetric immunosensor for point-of-care detection of COVID-19 antibodies”的論文，提出了一種基于叉指微電極陣列（IMA）的阻抗免疫傳感器，用于檢測和監測人體血清中的SARS-CoV-2抗體。該傳感器利用化學偶聯反應將SARS-CoV-2的刺突蛋白（S蛋白）功能化并共價固定在IMA表面，作為識別層，以特異性結合抗刺突抗體。而抗體與識別層S蛋白的結合將導致電容增加，從而引起傳感系統阻抗的變化。

圖1 叉指微電極陣列（IMA）表面功能化和刺突蛋白固定化示意圖

其中，該基于電化學阻抗譜（EIS）的生物傳感器中的檢測信號可以來自法拉第過程或非法拉第過程。在基于法拉第過程的生物傳感器中，由于系統中氧化還原試劑的氧化還原反應，檢測信號來自IMA上的界面電荷轉移反應。在這個過程中，氧化還原試劑是必需的，同時傳感系統中的輸入電壓必須高于氧化還原試劑的氧化還原電位。而基于非法拉第過程的生物傳感器的檢測信號來自于IMA電極-溶液界面識別層中選擇性抗原-抗體結合導致的界面層電容和電阻的變化。因此，基于非法拉第過程的傳感系統是無標記的，需要低無擾動電壓，因而適用于即時診斷（POC）應用。

基于非法拉第過程傳感系統的檢測原理如圖1所示，當IMA中的電極和電極間隙分別被巰基-十一醇（MUOH）和氨丙基三乙氧基硅烷（APTES）功能化時，斯特恩（Stern）層和擴散層通過形成自組裝單分子層（SAM）而被推離電極表面。SAM的進一步功能化和隨后的刺突蛋白固定化導致識別層的形成，這使得傳感器能夠選擇性地結合和檢測COVID-19抗體。

眾所周知，電容式生物傳感器的靈敏度低于法拉第式生物傳感器。提高電容式生物傳感器靈敏度的一個巧妙方法是降低EIS測量中使用的溶液的離子強度。為了深入了解離子強度對器件靈敏度的影響，研究人員以檢測抗S蛋白抗體（IgG、IgM和IGA）為例，利用MUOH和APTES修飾的IMA，通過測量含有1 x PBS和0.001 x PBS的溶液中的阻抗來研究器件的性能。結果表明，當在1 x PBS溶液中進行阻抗測量時，該器件表現出相對較低的靈敏度；而在0.001 x PBS溶液中測得的低頻區檢測信號的幅值遠大于在1 x PBS溶液中測得的相應值。顯然，該結果表明，通過調節介質的離子強度，可以顯著提高阻抗免疫傳感器的靈敏度，這與理論上預測的電場的距離依賴性一致。

圖2 無標記生物傳感器對抗體與固定在阻抗免疫傳感器識別層上的三聚體刺突蛋白選擇性結合過程進行基于非法拉第過程的EIS測量示意圖

圖3 生物傳感器靈敏度對用于非法拉第過程EIS測量的傳感介質離子強度的依賴關系

此外，根據利用世界衛生組織國際標準（WHO IS）制定的用于抗新冠病毒免疫球蛋白檢測的標準曲線測定的結果，該器件的檢測限（LOD）為0.4 BAU/ml，該LOD與所有已驗證和已建立的商業檢測報告的相應LOD（范圍為0.41 ~ 4.81 BAU/ml）相似。另外，這種概念驗證型生物傳感器已被證明可以在1小時內檢測到COVID-19感染者血清中的抗刺突抗體。

圖4 無標記非法拉第EIS生物傳感器檢測新冠病毒抗體的標準校準曲線及其與其他生物傳感器的性能比較

綜上所述，在這項工作中，研究人員開發了一種無標記阻抗電容式免疫傳感器，該傳感器能夠清晰地區分COVID-19陽性和COVID-19陰性的人血清樣本，具有良好的靈敏度和特異性。該文介紹的非法拉第阻抗檢測采用低無擾動電壓，不需要標記或添加傳感試劑，與ELISA不同，該方法不需要酶標記的二抗、底物以及相應的孵育時間。因此，無標記阻抗免疫傳感器本質上需要比ELISA更短的孵育時間，未來有望用于快速診斷檢測。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1038/s41378-022-00460-5

審核編輯 ：李倩