浅谈智能手机集成的SPRi系统搭建原理

由于人们生活环境的改变，肾损伤发展为比较常见的疾病，严重地危害人们的健康和寿命。近年来，随着多种肾损伤标志物的发现，相关检测手段和评价方法不断更新改进，如免疫比浊法、荧光免疫分析法和电化学发光法，但目前的检测方法灵敏度和准确性不高，检测周期较长。因此，高灵敏地检测肾损伤标志物已成为评价肾功能早期是否受损的关键指标，同时有助于提高急性肾损伤的诊断水平。

目前尿液中，新发现的急性肾损伤（AKI）标志物主要包括肝脏脂肪酸结合蛋白（L-FABP）、肾损伤分子-1（KIM-1）、视黄醇结合蛋白（RBP）、白介素-18（IL-18）、中性粒细胞明胶酶相关脂质运载蛋白（NGAL）等。其中，NGAL、RBP和IL-18属于管状标志物，其过表达可导致包括近端和远端小管在内的小管损伤。具体而言，NGAL是一种来源于人中性粒细胞的蛋白，它可以在尿液或血清中作为AKI的早期预测指标；RBP是血液中作为维生素转运体的一种蛋白，可反映早期肾小管损伤的程度，AKI发生后短时间内尿液中RBP水平会有显著升高，可作为早期肾功能损伤的标志物；IL-18是由单核细胞、巨噬细胞和近端小管上皮细胞等多种组织合成，被认为是预测AKI的最佳泌尿系统标志物之一。鉴于尿液取样方便、不会产生疼痛的特点，通过在尿液中高灵敏地检测三种尿蛋白，有望实现早期评价肾损伤的情况，对于预防和筛查早期肾损伤意义重大。

表面等离子体共振（SPR）是一种光学现象，可用来实时跟踪生物分子间的相互作用。这种方法对生物分子无任何损伤，且不需任何标记物。它已被广泛应用于光催化、光电设备和生物传感应用，用于检测毒素、蛋白质、细菌、DNA等。SPR成像（SPRi）系统是一种高通量生物传感平台，与传统的SPR相比，它可以同时评价多种生物分子之间的相互作用。

近日，温州医科大学王毅研究员团队搭建了智能手机集成的SPRi系统，用于同时高灵敏地检测多种AKI标志物。此系统采用智能手机的LED闪光灯作为光源，激发基于棱镜耦合的金点阵列传感芯片，由智能手机的摄像头采集反射光信号。该系统的底座和支撑架由3D打印技术制备得到，系统的折射率分辨达到了1.78 × 10⁻⁵ RIU。此外，结合磁性纳米颗粒（MNPs）增强的三明治免疫分析法，利用金点阵列芯片的智能手机SPRi系统，实现了在尿液中同时检测NGAL、IL-18和RBP的LOD分别为0.19 ng/mL、0.51 ng/mL 和0.70 ng/mL。该研究所开发的智能手机SPRi系统为即时诊断和现场医疗提供了一个新的便携式平台。该论文以“Smartphone surface plasmon resonance imaging for the simultaneous and sensitive detection of acute kidney injury biomarkers with noninvasive urinalysis”为题，于近期发表在期刊Lab on a Chip上。

构建智能手机SPRi系统

在该研究中，智能手机采用的是Android手机。如图1所示，智能手机的LED闪光灯作为光源，由光纤引出，通过带通滤波器（λ = 632.8 nm，）和两个透镜（f = 40 mm，f = 30 mm），经过镜子反射后，到达另一个透镜（f = 100 mm）和p-偏振片后成为p-偏振光，照射在金点阵列芯片（厚度47 nm，直径1 mm，周期2 mm）上发生衰减全内反射，芯片与LASFN9玻璃棱镜（90°，np = 1.845）耦合。从传感器芯片出来的反射光穿过透镜后由智能手机的CCD采集，最终传感图像保存在智能手机中。得到的视频通过ImageJ软件处理得到强度随时间的变化曲线和金点的3D强度图。

图1 智能手机SPRi系统结合MNPs增强夹心免疫的分析法检测尿液中AKI标志物（NGAL、IL-18、RBP）原理图：左下角示意图显示了智能手机SPRi系统的内部光学结构  

利用智能手机SPRi系统同时无创检测多种AKI标志物

将智能手机SPRi系统应用在PBST和尿液中同时检测三种AKI标志物。如图2a和2b所示，分别在PBST和尿液（含50% PBST）中混入不同浓度的AKI标志物（NGAL、IL-18和RBP），得到三种AKI标志物检测的标准曲线，在PBST中利用夹心免疫法检测得到的NGAL、IL-18和RBP的LOD分别为100 pg/mL、188 pg/mL 和84 pg/mL（图2a）。同样，利用智能手机SPRi平台检测尿液中NGAL的LOD为0.19 ng/mL，IL-18和RBP的LOD分别低至0.51 ng/mL和0.70 ng/mL（图2b）。图2c-2e显示了3份不同浓度NGAL、IL-18和RBP的尿液样品进行三明治免疫分析，在金点阵列上得到的3D强度图，实现了平均回收率为加入标准浓度的99.86% ± 5.12%。此外，采用智能手机SPRi系统采集AKI患者和健康志愿者的真实尿液样本并进行检测。例如，根据图2b和2f，健康志愿者的尿液样本对NGAL和IL-18的传感器响应可以忽略不计，RBP的平均量低至1.22 ± 0.28 ng/ml。而在AKI患者2中，尿液2中NGAL、IL-18和RBP的反射强度分别为9.47、1.1和5.47，分别对应的浓度为33.2 ng/ml、6.7 ng/ml和38.2 ng/ml。这表明，AKI患者尿液中的生物标志物浓度远高于健康人。因此，智能手机SPRi系统结合MNPs增强免疫法检测患者样本中AKI生物标志物的含量是可行性。

图2 通过智能手机SPRi平台在（a）PBST中和在（b）尿液中检测NGAL、IL-18和RBP的标准曲线；（c-e）3份不同浓度NGAL、IL-18和RBP的尿液样品进行三明治免疫分析，在金点阵列上得到的3D强度图；（f）基于三明治免疫分析的智能手机SPRi系统用于分别同时监测AKI病人和健康志愿者的尿液中的 NGAL、IL-18和RBP的反射光强度曲线   综上所述，该研究开发了一种新型的智能手机SPRi系统，结合磁性纳米颗粒增强的三明治免疫分析法，实现了同时高灵敏地检测三种AKI标志物（NGAL、IL-18和RBP），该传感器表现出较高的特异性和良好的防污性能。此智能手机SPRi系统为同时高灵敏度地检测多种标志物提供了一个便携式平台，该平台为POCT以及家庭医疗保健领域的高通量检测提供了良好的候选平台。

编辑：黄飞