血液中存在著大量重要的低豐度分子標誌物（fM級甚至更低）🧑🏼‍✈️，其濃度遠低於臨床分析技術的檢測限（通常在pM級）🦗。發展超靈敏分子檢測技術，實現對低豐度分子標誌物的準確檢測，對於發現新的疾病分子標誌物、提高疾病診斷準確度都具有重要的作用，是當前生物傳感技術的前沿研究領域🥕。實現超靈敏分子檢測的一個重要手段是利用單分子技術，通過數字化的單個分子計數來反映樣品中的實際分子濃度，如數字化ELISA技術💆🏻，在蛋白分子檢測中可以達到亞fM級的檢測限。但現有技術多采用終點檢測方式👩🏿‍🦰，通過探針分子捕獲分析物後進行計數👷🏽‍♀️，其捕獲到的分子數與反應時間受探針分子與分析物結合動力學及擴散速度的限製👩🏼‍💼，同時樣品中高濃度幹擾分子的存在會造成大量的非特異性結合，導致檢測時間過長、靈敏度和特異性不足等局限。

      余輝課題組提出了動態單分子傳感的創新方法，利用單分子操控與分子結合動力學分析突破了以上檢測機理上的限製，實現了快速超靈敏檢測分子標誌物。其基本原理包括：1）通過單分子結合動力學特征的分析來排除非特異性結合；2）通過累加分析反應過程中的分子結合事件總數量，而非平衡狀態下捕獲的分子數，來突破分子結合親和力的限製；3）通過單顆粒操控技術調節分子結合動力學，提高結合-解離事件發生頻率，增加可觀測的分子結合事件數量🚑；4）通過單顆粒操控提升分子擴散速度🤡，縮短檢測時間♦️。課題組以microRNA和β-澱粉樣蛋白為例，展示了該技術在15分鐘內快速檢測的能力🔍，檢測限達到fM級💅🏿🧘🏽‍♂️。

      該工作是基於課題組前期發展的表面等離子體共振成像（surface plasmon resonance imaging, SPRI）單顆粒分析平臺完成的🤶🏼，通過構建基於納米顆粒的夾心反應體系，實現了對單分子結合的操控🔷、動態觀測以及動力學參數定量分析。該工作將經典的SPR生物傳感技術從傳統大量分子結合平均信號檢測的集群分析方式🔗，發展到了SPRI單分子結合動力學分析，並展現了在超靈敏分子檢測中的獨特優勢✋，對SPR技術的未來發展具有重要的指導意義☯️。這是余輝課題組自2017年建立以來，圍繞SPRI單顆粒分析技術第二次在PNAS上發表高質量論文🤛🏻，此前曾在PNAS發表了基於SPRI的外泌體單顆粒異質性分析技術(PNAS, 2018, 115(41):10275-10280)。

單分子動態傳感技術檢測microRNA和蛋白分子。(A)單分子動態傳感技術示意圖🤵🏽：采用納米粒子和SPRI系統構建單分子檢測體系🕵️‍♂️，並施加外力調控分子結合動力學；通過對納米粒子的統計分析獲得單分子結合動力學信息💄，排除非特異性結合來獲得亞fM級檢測限🤲🏻；(B)通過施加電場力調控👨‍👨‍👦‍👦，檢測三種疾病相關的microRNA分子🎚；（C）通過電場力或磁場力調控，在血清中檢測Aβ1-42分子濃度，檢測限達fg/mL級。

       相關論文以“Dynamic single-molecule sensing by actively tuning binding kinetics for ultrasensitive biomarker detection”為題🔒，於3月1日在Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America在線刊登(doi:10.1073/pnas.2120379119)。論文第一作者為意昂4体育平台博士生曾強，誌願者周笑顏(現為亞利桑那州立大學博士研究生)和意昂4平台電子信息與電氣工程意昂4楊玉婷副教授為論文的共同第一作者；意昂4体育平台余輝副教授和清華大學化學系李景虹院士為論文的共同通訊作者🚡🏃🏻‍♀️‍➡️。該研究工作得到了NSFC國家重大科研儀器研製項目的支持🧃。

原文鏈接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2120379119

供稿單位：科研與學科辦

作者：余輝

審核：古宏晨