測量血液和尿液中的蛋白質對於疾病診斷而言不可或缺，但ELISA等傳統方法需要專用設備且耗時長，不適合在家庭和診療現場開展即時檢測。日本東北大學研究生院工學研究科的小野崇人教授、研究生院醫學系研究科與研究生院醫工學研究科的阿部高明教授等人組成的研究團隊，利用金奈米粒子構成的導電網絡，以電阻變化的形式捕捉抗原-抗體反應，開發出一款基於新原理的電阻變化型生物感測器。該感測器無需標記試劑，僅用約30秒即可成功測定出靶蛋白（GDF-15）濃度，不僅結構極為簡單，便於小型化和降低成本，而且只需更換抗體即可適配多種蛋白質，有望成為一項強有力的基礎技術，支撐針對多種疾病的居家健康監測與床旁即時診斷。相關研究成果已發表在期刊《Microsystems & Nanoengineering》上。
圖1 開發出的抗體檢測型電阻變化生物感測器的概要與工作原理。（圖片提供：東北大學）
a.感測器結構示意圖。叉指電極上形成了含有靶標特異性抗體和金奈米粒子的生物電阻器；b.檢測機制。將金奈米粒子的體積分數設定在滲濾轉變區域，從而形成對局部電荷環境的微小變化敏感的導電網絡；c.抗體檢測。抗原-抗體結合引起的局部電荷變化會降低金奈米粒子間的能壘，促進電子輸運。
化學電阻器可以將生物分子的結合以電阻變化的形式讀出，雖然具有無需光學系統和標記、能夠簡化結構的優點，但蛋白質結合引發的電學變化極其微弱，因此要實現高靈敏度，就必須把電子輸運通道限制在奈米尺度的間隙（奈米間隙）內。
研究團隊沒有選擇精密加工奈米間隙電極，而是循著「將金奈米粒子分散到樹脂中，讓奈米尺度的間隙自發、大量地形成」的構想，著手提升化學電阻器的靈敏度。
開發出的感測器結構簡單：僅用一層由直徑5奈米的金奈米粒子、聚乙烯醇類聚合物以及可與靶蛋白特異性結合的抗體混合而成的薄膜（生物電阻器），橋接玻璃基板上形成的兩根叉指電極（檢測區為3.5毫米見方）。
提高靈敏度的關鍵在於金奈米粒子的混合量。隨著奈米粒子用量增加，達到某一比例後，粒子之間會相互連接，電流驟然導通（滲濾轉變）。在轉變區域，僅有有限幾條通路主導著導電，因此粒子間距或周圍電荷只要稍有變化，整體電阻就會大幅改變。研究團隊在改變金奈米粒子體積分數的測量中事先確定了轉變區域，並將感測器的工作點設定在該區域內（體積分數0.07%）。事實上，即使僅將體積分數增加0.03%、達到0.1%，濃度依賴響應也幾乎完全喪失，因此將工作點精準設定在轉變區域，是實現高靈敏度的關鍵。
研究團隊選擇GDF-15作為靶蛋白，對感測器性能進行了評估。感測器的電阻變化透過施密特觸發振盪器以振盪頻率變化的形式讀出。在pH7的緩衝液中，GDF-15濃度越高，電阻越低（振盪頻率上升），在23.4～1500pg/mL範圍內呈現出清晰的濃度依賴關係。即使用同一感測器逐級改變濃度進行測量，也證實響應會在滴加後約30秒即達到飽和，並會跟隨濃度變化。反映器件間差異的變異係數為1.0～4.2%。另一方面，未添加抗體的對照感測器沒有出現濃度依賴性，靶標以外的蛋白質（人血清白蛋白等）也未觀察到同樣的濃度依賴響應，表明感測器對靶標具有選擇性。
該感測器無需標記，結構簡單且可電學讀出，便於設備小型化和降低成本。此外，從原理上講，只需更換為其他抗體，即可拓展應用於多種蛋白質。
另一方面，該感測器在實際樣本中的應用仍存在課題。本次測量發現，在接近靶蛋白等電點的pH8條件下，濃度依賴性幾乎完全喪失。這被認為是由於蛋白質電荷被中和的同時，溶液離子強度升高，導致背景響應增大。人工尿液評估同樣顯示，與緩衝液相比，基線升高、波動增大。針對這類樣本成分的影響，行之有效的對策被認為是在同一晶片上設置不捕獲靶標的參照區域，對兩者信號進行差分處理。
研究團隊此前曾報導過一項透過基於相同原理、利用鉑奈米粒子和酵素的電阻變化型感測器，測定尿液檢測中作為濃度校正基準的肌酐的技術。將該技術與本次基於抗體的蛋白質檢測技術相結合，以肌酐校正為前提的尿蛋白生物標誌物居家測量，便具備了現實可行性。
據介紹，今後研究團隊將推進實際尿樣驗證、藉助差分結構提升穩定性，並向其他生物標誌物拓展研究，力爭為疾病風險的早期檢測以及個性化醫療、預防醫療做出貢獻。
原文：《科學新聞》
翻譯：JST客觀日本編輯部
【論文資訊】
期刊：Microsystems & Nanoengineering
論文：Antibody-detecting resistive biosensor for protein biomarkers
DOI：10.1038/s41378-026-01465-0
