JACS：机器学习辅助蛋白质快速定量检测

蛋白质作为一种生物标志物，其表达水平可以客观地反映机体的状态和疾病的治疗过程，已广泛应用于癌症、遗传疾病和其他疾病的临床诊断。目前，常用的蛋白检测技术包括侧流免疫层析、酶联免疫吸附测定与蛋白质免疫印迹等方法，主要依靠一抗识别标靶蛋白，通过荧光染料或酶标记的二抗产生信号，实现对单个蛋白标志物的特异性检测。但是，耗时的测试过程和复杂的读出程序限制了其在即时诊断中的应用。准确度和灵敏度的局限也使得低浓度蛋白标志物的检测极其困难，特别是对于含有其他高水平干扰物质的复杂生物环境中的蛋白质检测是一个挑战。因此，迫切需要开发一种快速、灵敏的生物检测平台，以实现复杂生物样本中蛋白标志物的直接检测。

近日，中国科学院化学研究所的宋延林研究员、苏萌研究员和博士后张泽英等人基于印刷一维异质纳米光子结构，开发了一种高灵敏的蛋白可视化检测技术，可以实现多种蛋白标志物的高通量定量检测。

图1. 基于印刷一维异质纳米结构实现蛋白质超灵敏、高通量检测。

他们基于纳米绿色印刷技术，通过微模板诱导液滴限域纳米颗粒组装，实现了具有不同材料组成（无机-聚合物、无机-半导体、聚合物-半导体）、纳米颗粒尺寸比以及颗粒数目的一维异质结构的印刷制备。进一步结合物理仿真探究了纳米颗粒折射率、数目等对异质结构在可见光范围电磁场分布、光谱以及光学响应颜色的变化规律，发现聚合物-半导体异质结构具有显著的共振诱导近场增强能力，在可见光范围内具有突出的散射强度。

图2. 基于一维异质纳米结构的多通道蛋白检测平台。

随后，研究者基于印刷一维异质纳米结构开发了一种生物检测芯片，并用于蛋白质的无标记、快速检测。首先通过纳米印刷技术在基底上制备了一维纳米链阵列，在不同区域修饰不同的抗体，可以特异性捕获靶蛋白修饰的半导体纳米颗粒，产生散射共振近场增强作用，从而显著改变一维结构散射光的颜色，实现复杂生物流体中多种蛋白标志物的可视化检测，如IgG、CEA、Tau蛋白等。进而，通过结合机器学习算法，利用软件定量分析检测前后光学图像的颜色强度值来预测目标靶蛋白浓度，实现了多种蛋白标志物的高通量定量检测，检测范围为1 pg mL^-1-100 ng mL^-1。

该工作提出了一种蛋白标志物的新型可视化检测新方法，可在30分钟内实现蛋白质的便携、多通道和可视化检测，为复杂生物环境中蛋白标志物的高通量检测提供了新的方法，在生物医学、疾病诊断等领域具有广泛的应用前景。

这一成果发表在Journal of the American Chemical Society 上，文章的第一作者是中国科学院化学研究所的硕士研究生潘项羽，共同通讯作者是宋延林研究员、苏萌研究员和博士后张泽英。

原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：

Machine Learning-Assisted High-Throughput Identification and Quantification of Protein Biomarkers with Printed Heterochains 

Xiangyu Pan, Zeying Zhang, Yang Yun, Xu Zhang, Yali Sun, Zixuan Zhang, Huadong Wang, Xu Yang, Zhiyu Tan, Yaqi Yang, Hongfei Xie, Bogdan Bogdanov, Georgii Zmaga, Pavel Senyushkin, Xuemei Wei, Yanlin Song, Meng Su

J. Am. Chem. Soc., 2024, 146, 19239–19248, DOI: 10.1021/jacs.4c04460

作者简介

宋延林，中国科学院化学研究所研究员，绿色印刷重点实验室主任。提出和发展了纳米绿色印刷技术及其应用，已发表论文600余篇，引用38,000余次，H指数109；出版中英文专著16 部；获授权中国发明专利130余项，国际专利26项。获 2008年和2005 年国家自然科学二等奖、2016年北京市科学技术一等奖和2023年第三届全国创新争先奖。获中国青年科技奖、求是杰出青年成果转化奖、国际电工标准组织IEC1906奖、中华印制大奖、毕昇印刷杰出成就奖和全国优秀科技工作者等。

https://www.x-mol.com/university/faculty/15559 

苏萌，中国科学院化学研究所研究员，中科院青促会化材分会副会长，国家优秀青年科学基金获得者，北京市科技新星，中国科学院青年创新促进会会员。主要从事纳米印刷图案化与生物检测研究，已发表学术论文90余篇。

https://www.x-mol.com/university/faculty/321106 

张泽英，中国科学院化学研究所博士后，主要研究方向为纳米光子学及纳米生物检测。以第一及通讯作者在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Anal. Chem., Sci. Bull.等期刊上发表论文11篇；申请中国发明专利5项；获北京分子科学国家研究中心博士后项目资助。