多参数干涉反射成像传感器

为何观察分子结合很重要

许多医学检测和新药研发依赖于两个分子相互结合的强度——例如药物与其靶点，或病毒与抗体。当前的仪器可以实时观察这种结合而无需荧光标记，但它们常常将真实的分子结合信号与液体背景的变化混淆，例如温度或盐浓度的波动。本文介绍了一种改进的光学传感器，能够将真实结合信号与这些干扰区分开来，从而使测量更准确、更简单且更易于扩展。

用反射光看见微小变化

这项工作基于一种现有技术，称为干涉反射成像传感器（IRIS）。在 IRIS 中，硅片上覆盖有一层非常薄且透明的已知厚度的涂层。特定的“捕获”分子以微小点阵的形式固定在其上。当来自流动溶液的目标分子与这些点结合时，会增加极微小的表面厚度。通过向这层结构照射光并记录反射强度，IRIS 可以将反射强度的变化转换为表观厚度的变化，进而推断每个点上结合物质的量——无需任何分子标记。

将真实信号与背景漂移分离

许多其他光学传感器依赖于探测金属膜上方极近场的衰减波。在那些系统中，任何靠近表面的变化——包括温度、盐分或添加剂（如二甲基亚砜，DMSO）的变化——都会看起来与真实结合相似，从而产生所谓的“体相效应”。IRIS 对这些溶液变化的敏感度较低，但并非完全免疫。作者提出了多参数 IRIS（MP‑IRIS），它不仅读取点阵的信号，还监测精心选择的参考区域。通过跟踪溶液成分变化时表面响应的差异，系统可以在实时中数学上去除大部分的体相效应。在刻意改变 DMSO 浓度的实验中，经校正的 MP‑IRIS 信号将体相误差降到了约每平方毫米 3 皮克克拉姆（picograms）——大约相当于薄分子层的几十亿分之一量级，远低于常见商业仪器通常观测到的水平。

用两种颜色的光实现稳健测量

尽管单色 MP‑IRIS 已能抑制背景效应，但它假设芯片上的薄层具有非常精确的起始厚度。实际上，来自芯片制造和表面化学步骤的小变异会扭曲对结合量的绝对测量。为了解决这个问题，作者引入了第二个波长的光。一种颜色的选择使得反射信号对厚度变化响应强烈，而另一种颜色则处于一个对厚度几乎不敏感但仍能反映周围溶液光学属性的点。通过组合两种颜色的读数，系统能持续估计自身的灵敏度，校正芯片间差异，同时仍能去除体相效应。在对蛋白涂层进行刻意变动的测试中，两色 MP‑IRIS 将测得结合量的误差控制在约 10% 以下，而更简单的方法在相同条件下对同一结合量的估计误差则高达约 60%。

将传感器应用于 DNA

为展示生物学实际应用，研究团队进行了 DNA 杂交实验。他们打印了能捕获生物素的微小蛋白阵列，然后在其中一些点上连接了带生物素标记的短 DNA 链。当互补的 DNA 溶液流过芯片时，MP‑IRIS 同时记录了数十个点的表观厚度如何随着链段互相找到并结合而增加，以及当重新引入不含 DNA 的溶液时厚度如何变化。这些测试证实了传感器能够实时追踪结合与解离过程，覆盖多个位置，同时校正缓冲液成分变化和各点涂层密度差异的影响。

对未来检测的意义

通俗地说，新的 MP‑IRIS 设计为科学家观察分子相互作用提供了一双更清晰的“眼睛”。通过在芯片不同区域和两种光色之间进行智能比较，系统在很大程度上减除了由液体本身和芯片间细微差异产生的“背景噪声”。这使得跨实验和跨实验室比较结果更容易，也为使用更简单、更易扩展的硬件进行可靠的无标记小分子、DNA、蛋白质乃至可能的病毒检测铺平了道路。后续工作将探索该方法在更广泛的真实诊断和药物筛选应用中的性能表现。

引用: Aslan, M., Snekvik, S., Seymour, E. et al. Multi-parametric interferometric reflectance imaging sensor. Sci Rep 16, 10780 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-45282-x

关键词: 无标记生物传感, 结合动力学, 光学干涉测量, 体相效应校正, DNA 杂交