傳統的分析檢測方法追求生物標志物濃度的線性變化，以準確評估樣本中的生物標志物。這在常規疾病的診斷中發揮著重要作用，因為它能為醫生提供基于線性關系的診斷信息。然而，在特殊疾病領域，情況則大不相同。以結核性腦膜炎標志物L-色氨酸(L-Trp)變化為例：隨著疾病的進展，該生物標志物的濃度會出現非線性波動。這種非線性波動給傳統的線性檢測方法帶來了難題，存在誤診的風險。

  為解決這一問題，杭州師范大學材料與化學化工學院黃又舉教授團隊從生物傳感器探針材料的設計入手，通過材料設計、多色信號整合以及智能數據分析，研發出一種基于鉑基超晶格(Pt MALs)的交互式可視化生物傳感器，以“閾值突躍式”顏色變化為核心，實現了TBM的快速精準診斷與病情動態監測，解決了結核性腦膜炎早期診斷中生物標志物動態非線性變化監測的問題。這種超晶格材料通過配位鍵與范德華力精準組裝，形成原子級分散的鉑層與有機配體雙層結構的單原子層超晶格探針，如同為L-Trp量身打造的“智能信號轉換器”，能將分子濃度變化直接轉化為肉眼可辨的顏色信號。

  2026年2月6日，相關工作以Diagnostic-Mediated Interactive Superlattices Engineering for Threshold-Saltatory Visual Assessment of Tuberculous Meningitis為題發表在《ACS Nano》上。杭州師范大學材料與化學化工學院博士研究生陳子康為第一作者，黃又舉教授和丁彩萍副教授為共同通訊作者。杭州師范大學為第一完成單位。

  該傳感器的核心突破在于“雙信號聯動”機制，觸發“閾值特異性”顏色變化：（1）當L-Trp濃度低于0.2 μM(早期TBM)時，其代謝產物丙酮酸會觸發Pt MALs的類過氧化物酶活性，催化H₂O₂生成活性氧，將底物TMB氧化為藍色產物，且藍色強度隨濃度降低而增強；（2）當L-Trp濃度高于0.2 μM(病情惡化階段)時，其另一代謝產物吲哚會與DMABA試劑特異性結合，生成粉紅色復合物，同時過量H₂O₂會導致Pt MALs結構解體，黃色(強酸環境使藍色變化)信號逐漸衰減，最終呈現“粉黃疊加”的多色漸變。這種“低于閾值單色調、高于閾值多色漸變”的跳躍式響應，使顏色色相變化跨度達到134°，遠超單一顏色信號的辨識度，徹底解決了傳統檢測中“信號模糊、判斷主觀”的問題。配合CIE色度分析與RGB數字化處理，實現了從“定性觀察”到“定量計算”的精準升級。

圖1：結構介導交互式可視化傳感器實現“閾值特異性”響應L-Trp用以準確評估TBM疾病進展的示意圖。

  為進一步提升臨床適用性，團隊將邏輯門運算與顏色信號分析相結合，構建了三級判別體系：通過藍色信號的G/B比值、粉紅色信號的R/G比值及復合顏色的R/G比值，分別設定診斷閾值，實現對健康人群、早期TBM患者與病情惡化患者的精準區分。

圖2：基于三條顏色通路設計邏輯門以準確評估TBM疾病進展的數據分析。

  在22例臨床腦脊液樣本驗證中，該系統表現出驚人性能：早期診斷準確率達100%，病情進展判斷準確率達95.45%，且通過機器學習增強的模式識別，實現了復雜臨床基質中的自校準與零假陽性。與傳統金標準相比，檢測時間縮短50%以上，試劑成本降低74%以上，診斷準確率提升13%以上，徹底擺脫了對大型精密儀器的依賴，為資源有限地區的TBM篩查提供了可行方案。

圖3：通過TBM患者真實樣本檢驗邏輯門輔助閾值躍變式可視化傳感器的臨床應用性能。

  該研究的關鍵在于將超晶格材料的結構調控與生物標志物的動態監測相結合，實現了“閾值特異性”與“可視化”的雙重突破。Pt MALs的原子級結構設計不僅保證了催化活性與穩定性，更通過結構重構實現了對濃度梯度的自適應響應，這種“結構-功能”協同的設計思路，為納米生物傳感器的研發提供了新范式。這項集“快速、精準、低成本、可視化”于一體的技術，不僅限于TBM診斷，未來還可擴展至腦炎、脊髓炎等其他感染性神經疾病的生物標志物檢測，為多類神經炎癥的早期篩查與動態監測提供通用平臺。

  研究獲得浙江省“尖兵領雁”研發項目(2024C03195)、國家自然科學基金重點項目(U25A20385)、浙江省“尖兵領雁”研發項目(2025C02250(SD2))、杭州師范大學跨學科交叉團隊項目(2024JCXK01)等項目資助

  論文DOI：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c21167

作者簡介

黃又舉，教授，博士生導師，國家優青，杭師大材化學院副院長。2010年博士畢業于中國科學技術大學，師從李良彬教授。2010-2014年在新加坡南洋理工大學做博士后。2014-2019年在中科院寧波材料所工作，任副研究員/項目研究員。2017-2018年，在德國馬普所高分子所做訪問學者。2019年9月入職杭州師范大學，組建納米生物傳感器關鍵材料團隊。以通訊作者在Science Advances, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chemical Society Reviews等期刊上發表SCI論文100余篇。被引用12000余次，H因子為58。授權中國和美國發明專利35件。主持科研項目20余項，包括7項國家自然科學基金。獲首屆浙江省青年科技英才獎(2021年)，浙江省自然科學二等獎(2023年，第一完成人)和全國"挑戰杯"揭榜掛帥專項賽一等獎(2024年，指導老師)。入選浙江省海外高層次人才引進計劃(2016年)和國家自然基金委優秀青年項目(2022年)。

丁彩萍，博士，副教授，碩士生導師，2025年全球前2%年度科學影響力科學家。2019年博士畢業于華東師范大學，同年入職杭州師范大學材料與化學化工學院，加入黃又舉教授組建的納米生物傳感器關鍵材料團隊。主要從事功能性熒光量子點和等離激元納米粒子的精準合成及其功能化仿生修飾組裝，構建熒光/多色可視化生物傳感器用于疾病標志物的檢測及診斷，以及構建多功能納米平臺用于治療研究，進一步開發可商業化的生物檢測試劑盒。以第一/通訊作者在Adv. Mater., ACS Nano, Adv. Funct. Mater., Adv. Sci., Anal. Chem.等國際知名期刊發表SCI論文40余篇，授權發明專利10余項。以項目第一負責人主持項目5項(包括國家自然科學青年基金和浙江省自然科學基金面上項目)、同時擔任浙江省科學技術廳2024和2025年度“尖兵”“領雁”研發攻關計劃項目子課題負責人、以及以項目骨干參與國家自然科學基金聯合基金重點項目。此外，擔任期刊Biosensors, Sensors客座/主題編輯。