An integrated photonic crystal and magnetic bead aggregation technique to enhancement fluorescence on magnetic bead surface for low bead number detection

在现代医学的寂静角落，在浩瀚如海的血液中寻找单个疾病分子的能力，决定了是在疾病早期将其捕捉，还是在发现时已为时过晚。几十年来，科学家们一直依赖一种被称为免疫测定（immunoassay）的方法，这本质上是一种“搜索与捕捉”的游戏。他们使用微小的特化颗粒，这些颗粒就像磁铁一样，专门吸引特定的蛋白质，例如身体在对抗感染或癌症时释放出的蛋白质。一旦这些颗粒捕捉到目标蛋白质，它们就会被贴上一个在显微镜下会发光的化学标签，从而揭示蛋白质的存在。然而，当疾病蛋白质的数量极其微小时——微小到处于皮克（picogram，即万亿分之一克）的范围内——这种光芒往往过于微弱而无法被看见，导致测试对疾病的最早期迹象视而不见。为了解决这个问题，研究人员转向了两种不同的工具：利用磁力将颗粒聚集在一起，以及一种可以放大它们所发光线的特殊表面。

来自台湾国立交通大学的一支研究团队将这两种方法结合成了一个单一的集成系统，旨在“看见不可见之物”。他们的工作重点是检测小鼠白细胞介素-1 β（mouse interleukin-1 beta），这是一种作为炎症标志物的蛋白质，使用的是他们称之为 PCMAFLUID 的技术。该方法结合了磁珠聚集技术和光子晶体表面。磁珠是直径为六微米的微小球体，表面涂有能够抓取目标蛋白质的抗体。当磁铁靠近含有这些磁珠的液体时，它会将磁珠拉拢在一起，形成密集的堆积，从而浓缩信号。系统的第二部分是光子晶体，这是一种具有微观沟槽图案的表面。这种图案经过设计，可以与特定波长的光产生共振，就像吉他弦会在特定的音符上振动一样。当用于使磁珠发光的光线撞击这个有图案的表面时，表面会放大光线，使磁珠比在普通玻璃载玻片上闪烁得更亮。

研究人员通过创建两种不同的设置来测试该系统，以观察哪种效果更好。在第一种设置中，他们使用了作为对照的标准玻璃载玻片。在第二种设置中，他们使用了由光子晶体表面制成的载玻片。他们引入了含有不同浓度小鼠 IL1β 蛋白质的样本，浓度范围从高水平一直降低到疾病早期发现的极低水平。然后，他们使用磁铁将磁珠拉向载玻片的表面，并使用定制的显微镜测量产生的荧光亮度。结果显示，仅仅用磁铁聚集磁珠就带来了显著的差异。在标准玻璃载玻片上，将磁珠聚集在一起比磁珠分散时，信号亮度增加了约七到九倍。这证实了浓缩磁珠有助于显微镜更清晰地观察它们。

然而，真正的突破出现在他们比较玻璃载玻片与光子晶体表面时。当磁珠聚集在光子晶体上时，放大效应要戏剧性得多。研究人员发现，磁力牵引与光放大表面的结合，使他们能够检测到浓度低至 0.0001 皮克/毫升的蛋白质。相比之下，在标准玻璃载玻片上，一旦浓度降至 0.01 皮克/毫升，蛋白质的信号基本上就会消失。这意味着这种新技术的检测水平比标准方法低了整整一百倍。当团队分析这些可检测极限下的信号强度时，他们计算出，与单独使用玻璃载玻片相比，光子晶体技术将荧光信号增强了超过一千倍。

为了准确理解这种力量有多强大，研究人员对单个磁珠进行了缩放观察。他们测量了单个磁珠在玻璃载玻片上的光线，并将其与单个磁珠在光子晶体上的光线进行对比。特殊表面上的磁珠比玻璃上的磁珠亮了十一倍。这证明了增强效果不仅仅是因为将更多的磁珠聚集在一个点上，而是因为表面本身在积极地让每一个单独的磁珠闪烁得更加强烈。研究还指出，虽然磁性聚集在所有水平上都有帮助，但光子晶体对于观察最低浓度至关重要。如果没有晶体，极微量蛋白质产生的信号会淹没在背景噪声中。

研究人员总结道，通过将磁珠聚集与光子晶体表面相结合，他们成功创造了一个能够将检测极限推向此前无法企及的高度的工具。这项技术不仅是让现有的信号变得更大声，它从根本上改变了测试的灵敏度，使得检测疾病标志物的水平达到了此前无法检测到的程度。虽然这项研究是使用小鼠蛋白质进行的，但作者建议，这种方法可以被改编用于检测人类疾病生物标志物和癌症标志物的早期阶段。通过让最微弱的光芒变得可见，这种方法为在疾病有机会生长之前对其进行诊断开辟了一条新路径，将微观信号转化为清晰、可衡量的答案。