生命活动的本质，并非静态分子的陈列，而是由分子间持续发生识别、结合与解离所驱动的动态过程。然而，传统生物传感技术主要依赖反应达到平衡后的终点信号，难以保留分子相互作用中的时间信息。尤其是在极低丰度标志物检测中，扩散限速往往使得平衡孵育需要数小时甚至过夜，与此同时非特异性吸附也不断累积，使灵敏度、特异性和检测时间之间形成了难以调和的矛盾。

相比之下，动力学分析不等待平衡，而是在分子识别、结合事件发生的当下进行实时追踪——结合事件何时出现、持续多久、以何种方式运动，这些“动态指纹”蕴含着区分特异与非特异相互作用的天然依据。基于动力学的单分子检测不仅能够在更短时间内响应低丰度事件，更在特异性识别层面提供了一种“无需洗涤即可甄别真伪”的独特能力，这在复杂生物基质检测中尤为珍贵。然而，现有单分子动力学检测通常依赖暗场、表面等离子体共振或干涉显微等复杂光学系统，存在设备昂贵、体积大、视场和通量受限等问题。这些问题长期以来制约着动力学检测从实验室走向临床。要真正释放动力学分析的潜力，需要的不是对某一特定指标的优化，而是一套能同时解决“看得见”、“辨得清”和“测得准”三大核心问题的系统性技术方案。

近日，中国科学院深圳先进技术研究院（以下简称医学成像科学与技术系统全国重点实验室、医工所传感中心杨慧研究员团队，以封面论文形式在Advanced Science上发表了题为“Dynamic Single-Binding Event Profiling With on-Chip Microlenses for Wash-Free Digital Biosensing”的研究成果。该工作并非单一技术的改进，而是从头构建了一套完整的免洗式数字生物传感技术体系——从芯片设计、光学成像到信号解析与数字计数，全部统一于一个可便携化的平台之上。

该平台的核心设计思想，始于芯片层面的物理创新：在芯片上集成高折射率介质微球阵列，使其充当“片上放大镜”，通过近场光学聚焦与散射信号放大效应，单个80 nm金纳米颗粒（AuNP）在常规明场显微镜和低数值孔径物镜下即可产生高信噪比的清晰成像。这一步解决的是“看得见”的问题，让单个纳米颗粒探针的观测不再依赖昂贵的高倍物镜和复杂光路，为单分子检测系统的小型化扫清了物理障碍。

但看得见只是起点。真正让这套体系区别于传统方案的，是它在信息层面建立的动态甄别能力。平台以500帧/秒的高速成像实时追踪每一个AuNP探针，解析其位移、速度与驻留时长等动力学信息，并据此建立了一套分类逻辑：自由扩散颗粒仅短暂出现（< 250 毫秒）；非特异性吸附颗粒通常在反应初期（< 2 秒）即固定在芯片表面；而真正由待测靶标识别产生的特异性结合颗粒则表现为持续的受限布朗运动。基于这三类截然不同的“动力学指纹”，平台能够在无需任何洗涤步骤的条件下，从复杂背景中识别并计数真实结合事件，使检测逻辑从传统的“终点信号强弱比较”跃迁为“动态结合过程真伪甄别”。这一步解决的是“辨得清”的问题——也是这套体系实现“免洗”的核心技术支点。

而上述所有能力的最终落点，是单结合事件级的数字计数——以单个结合事件为计数单位，将检测灵敏度推至飞克级。三者环环相扣：微透镜让系统“看得见”，使单纳米颗粒在常规低倍显微镜下清晰成像，摆脱大型昂贵光路；动力学分析让系统“辨得清”，基于实时轨迹分类，无需洗涤即可剔除假阳性，实现免洗式检测；数字计数让系统“测得准”，以单个结合事件为计数单位，将灵敏度推至飞克级水平。这不是在既有技术范式内做渐进修补，而是从底层重新定义了一种可移植、可扩展的单分子动力学检测体系。

这一技术路径的独特价值，在心肌肌钙蛋白I（cTnI）检测这一临床场景中得到了充分映射。该平台对cTnI的检测限达到0.051 pg mL⁻¹，即使在未稀释人血清中，仍保持良好的线性和特异性，并可与便携式光学设备结合，实现超灵敏、快速和免洗检测。

对于急性心肌梗死（心梗）患者而言，从症状出现到球囊扩张的每一分钟都关乎心肌存活。然而，传统的超灵敏检测手段（如高敏化学发光法）虽然精准，却依赖大型实验室设备，从采血到出结果往往需要数小时；而急诊快检（POCT）虽然便捷，灵敏度却不足以捕捉超急性期仅微幅升高的心肌肌钙蛋白（cTnI）。这构成了一个典型的“灵敏度-速度-可及性”三角困境：三者缺一，即意味着早期确诊机会的丧失。本研究通过物理创新（微透镜使小型化光学成为可能）、信息策略（动力学追踪使免洗快检成为可能）与数字计数（单分子灵敏度）的三重协同，首次在同一体系中同时响应了上述三项需求。这正是本工作与现有cTnI检测技术的本质区别所在：它不是在回答“如何把cTnI测得更好”，而是在回答“如何建立一套能让动力学检测走出实验室的技术体系”。cTnI在这里扮演的角色，是验证这套技术体系临床可行性的“第一块试金石”——但体系的通用性决定了，只要更换相应的抗体对，它即可适配其他重大疾病标志物的超敏检测。

更广泛地看，该研究展示了将单分子动力学分析从复杂实验室光学系统迁移至便携式平台的可行性，为未来面向急诊分诊、基层医疗、灾难救援和居家监测等场景的新一代生物传感技术提供了可复制、可扩展的基础架构。

图1. 文章封面图

图2. 动态单结合事件分析原理示意图

图3. 基于便携式光学设备的一步式cTnI检测