生物传感器在新冠病毒检测中的应用_朱子煜.pdf

综述 Review *E-mail: 共同第一作者(These authors contributed equally to this work)Received December 3,2022;published February 15,2023.Project supported by the National Key Research&Development Program of China(No.2019YFA0904104).项目受国家重点研发计划(No.2019YFA0904104)资助.Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http,/sioc- 253 化 学 学 报 化 学 学 报 ACTA CHIMICA SINICA 生物传感器在新冠病毒检测中的应用 朱子煜 梁阿新 浩天瑞霖 唐珊珊 刘淼 解炳腾 罗爱芹*(北京理工大学生命学院 分子医学与生物诊疗工业和信息化部重点实验室 北京 100081)摘要摘要 自新型冠状病毒肺炎(COVID-19)爆发以来,准确高效、快速便捷的新型冠状病毒(SARS-CoV-2)筛查越来越在疫情防控中体现出其重要性.传统的检测方法无法满足短时间内 SARS-CoV-2 大规模感染时的检测需求.生物传感技术具有灵敏度高、选择性好、低成本、易于微型化等优点,其检测时间短的优势还可用于开发即时检测设备,是临床诊断中实时检测 SARS-CoV-2 的潜在替代方案.本综述简要阐述了光学生物传感器、电化学生物传感器、可穿戴式生物传感器、磁性生物传感器、金纳米颗粒生物传感器以及适配体生物传感器的构建方法、工作原理,并总结了其在新冠病毒检测领域的最新应用.最后本综述对生物传感器在新冠病毒检测领域的技术瓶颈与未来的发展趋势进行了总结与讨论.关键词关键词 新冠病毒;生物传感器;检测 The Application of Biosensors in the Detection of SARS-CoV-2 The Application of Biosensors in the Detection of SARS-CoV-2 Zhu,Ziyu Liang,Axin Haotian,Ruilin Tang,Shanshan Liu,Miao Xie,Bingteng Luo,Aiqin*(Key Laboratory of Molecular Medicine and Biotherapy,the Ministry of Industry and Information Technology,School of Life Science,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081)Abstract Since the outbreak of COVID-19,it is becoming important to screen SARS-CoV-2 with high accuracy,high effi-ciency,and rapidness,for epidemic prevention and control.Conventional detection technologies can not satisfy the require-ments of examining massive people in a very short time.Biosensor technology,with the advantages of high sensitivity,good selectivity,low cost,easy miniaturization,and short detection time,is being used to develop real-time detection equipment,thus as a potential alternative for real-time detection of SARS-CoV-2 in clinical diagnosis.In the present study,the authors summarized the construction methods and principles for optical biosensors,electrochemical biosensors,wearable biosensors,magnetic biosensors,gold nanoparticle biosensors,and aptamer biosensors,followed by the introduction of the current appli-cation of multiple biosensors in SARS-CoV-2 detection.Conclusively,the technical bottlenecks and future development trends of biosensors in SARS-CoV-2 detection are proposed.Keywords SARS-CoV-2;biosensor;detection 1 引言 新型冠状病毒(SARS-CoV-2)是冠状病毒家族的新型毒株,可侵染人体的呼吸道而引起新型冠状病毒肺炎(COVID-19),具有变异性强、传染性强,传播范围广等特点,给人们的生活和医疗等方面带来了严重的负面影响1-5.SARS-CoV-2 是一种单链核糖核酸(RNA)包膜病毒,主要由刺突表面糖蛋白(spike protein,S 蛋白)、包膜蛋白(envelope protein,E 蛋白)、基质蛋白(matrix protein,M蛋白)和核衣壳蛋白(nucleocapsid protein,N 蛋白)四种蛋白组成6.由于潜伏时间长、传播速度快且存在40%45%的无症状感染7,自2019年12月首次报道以来,COVID-19 在全球范围内呈大流行趋势,严重威胁了公共卫生安全.虽然已经研发出灭活病毒疫苗、腺病毒载体疫苗、重组亚单位疫苗等新冠疫苗,但因有限的接种率与 SARS-CoV-2 的强变异性(如有阿尔法、德尔塔以及奥密克戎等变体)8-11,全球疫情扩散速率仍呈增大趋势.因此,开发一种高灵敏、快速、低成本、易于微型化的即时检测方法(POCT)对 SARS-CoV-2 进行准确筛查显得尤为重要.目前,SARS-CoV-2 的检测主要是对病毒核酸、病毒抗原及抗体进行监测12-13.其中,核酸检测主要是针对SARS-CoV-2病毒的RNA基因序列测序,采用的技术包括基因测序技术、实时荧光定量逆转录聚合酶链式反应DOI:10.6023/A22120483 化化 学学 学学 报报 综述 254 http,/sioc- 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 技术、环介导等温扩增技术、微滴式数字聚合酶链式反应技术以及 CRISPR 核酸检测技术.核酸检测技术具有灵 敏 度 高、特 异 性 强 等 优 点,其 已 被 广 泛 用 于SARS-CoV-2 的检测.实时荧光定量逆转录聚合酶链式反应技术(RT-PCR)是目前应用最为普遍的核酸检测技术,其检测原理分为以下几个步骤:(1)将病原体逆转录为 cDNA;(2)以逆转录的 cDNA 为模板进行多轮 PCR 循环扩增;(3)用荧光探针对扩增产物进行检测和分析.PCR 技术反应体系中的 taqMan 探针具有检测特异性高、灵敏度较强的特点.尽管如此,RT-PCR 具有多个缺点,包括原理复杂、周转时间长、对操作人员要求比较高、检测仪器昂贵、易出现假阴性结果.因此,RT-PCR技术不适用于低成本、便携式 SARS-CoV-2 快速检测.抗体检测,主要是针对抗原物质刺激基体产生的与抗原特异性结合的免疫球蛋白.当 SARS-CoV-2 进入人体中,会分别在 57 d 和 1015 d 内产生 IgM 和 IgG抗体.通过检测人体样本中特异性抗体的存在及含量来判断人体是否感染病毒.抗体检测常用的方法有酶联免疫吸附测定(ELISA)12-14、免疫层析(胶体金)法和化学发光免疫分析法等方法,其中 ELISA 应用较为普遍.ELISA被用于检测血清中SARS-CoV-2抗体,与PCR检测相比,检测成本更低,分析时间更短.但因可检测水平的抗体在症状出现后 1014 d 产生,ELISA 不适合诊断早期感染,主要用于血清学筛查和流行病学研究.抗原检测,主要是利用病毒抗原蛋白的单克隆抗体来直接检测相应的抗原蛋白,主要是针对病毒的固有组织成分,包括固有的蛋白质.抗原检测具有成本低、速度快和操作简单的优点,但其结果并不能单独用于确定用户是否感染 SARS-CoV-2 病毒,需要结合其他的诊断结果来确认是否感染病毒.SARS-CoV-2 检测对准确性和检测时间要求较高,而传统检测方法耗时长,存在检测结果不准确的情况,因此开发新型生物检测技术十分必要15-21.表 1 总结了SARS-CoV-2 检测方法的最新研究.生物传感器是一种对生物物质敏感并将其浓度转换为光学信号或电信号进行检测的仪器.该分析系统由固定化的生物敏感材料识别元件(包括酶、抗体、抗原、微生物、细胞、组织、核酸等生物活性物质)、适当的理化换能器(如氧电极、光敏管、场效应管、压电晶体等)及信号放大装置构成22,具有分析速度快、超灵敏、高选择性、成本低和易操作等优势23-24,被认为是一种能有效检测疾病标志物的潜在新方法.我们实验室目前已制备基于分子印迹技术、免标记免疫电化学、荧光传感技术、光电化学传感技术的多种疾病标志物生物传感器,并完成对不同目标物(如癌胚抗原、人免疫球蛋白G、溶菌酶、高半胱氨酸、胆固醇等)定量检测工作25-29;此外,将制备的聚合物作为传感单元与电化学工作站、荧光分光光度计、紫外光谱及超高效液相色谱仪分析设备联用对目标物进行定量检测与分析,在生物传感器构建与检测方面积累了丰富的实验数据和经验.本综述主要简介了用于检测新冠病毒的电化学传感器、光学传感器、可穿戴生物传感器以及基于纳米材料(金纳米、磁性纳米颗粒)生物传感器的研究进展(图 1),并对生物传感器检测新冠病毒未来的发展做出了展望.图图 1 新型生物传感器检测新冠病毒概述示意图 Figure 1 Overview of novel biosensors to detect SARS-CoV-2表表 1 不同 SARS-CoV-2 检测方法的比较 Table 1 Comparison of different SARS-CoV-2 detection methods Techique Apparatus Time required Sensitivity Detection limit Detection range 参考文献 Chest CT scan CT machine 97%,25%30 RT-PCR PCR apparatus 4 h 71%31 MNPs with RT-PCR PCR apparatus Around 30 min 10 copies 32 Colorimetric assay Water bath 30 min 97.6%60 copies per L 601000 copies per L 33 ELISA reder ELISA machine 2 h 87.3%34 Plasmonic biosensor Dual-functional LSPR System 3.7 RNA copies 0.1 fmol/L 0.110 fmol/L 35 Electrochemical biosensor Electrochemical work station Few min 0.21 fmol/L 0.63 fmol/L 0.63 fmol/L 1 mol/L 36 Field-effect transistor-based biosensor Semiconductor analyzer 2.42102 copies/mL 37 化化 学学 学学 报报 综述 Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http,/sioc- 255 2 用于检测新冠病毒的生物传感器 2.1 基于光学方法的生物传感器检测新冠病毒 光学生物传感器能够把待识别生物分子通过光学信号的变化显示出来,进而实现对化学、生物信息的定量分析,具有检测速度快、灵敏度高和高通量检测等优点.光学生物传感器以被测物质与探测试剂反应后引发的光信号作为探测基础,一般由传感层、光信号转换与放大处理模块等几个功能模块组成.传感层是对被测定物质具有高选择性识别能力的感受器,是光学生物传感器的核心部件,其作用是提取与各种被测定生物量有关的光信息.光信号转化与放大处理模块是将光信号放大并最终转化成电信号从而反映生物浓度的装置38.作为实时检测(PoC)的光学生物传感,横向流动免疫检测(LFIA)的检测条被认为更适用于在偏远地区和公共卫生中心即时检测 SARS-CoV-239(图 2).LFIAs 背后的传感原理是检测分析物(抗原或抗体)借助与标签(如金纳米颗粒、荧光分子和量子点)共轭的二级抗体,促进颜色变化的视觉感知,从而检测分析物的浓度.LFIA 检测条用于快速检测 SARS-CoV-2 受到了广泛关注40-41.Wen 等42利用金纳米颗粒作为标签,开发了一种用于检测患者血清中SARS-CoV-2IgG抗体的LFIA检测条.SARS-CoV-2 核衣壳蛋白被固定在 LFIA 条带上,作为捕获受体,而抗人IgG偶联金纳米颗粒被用作信号,在分析物与金纳米粒子共轭抗体相互作用时,将产生一条红色的线,表明样品中存在分析物.研制的 LFIA 条在更少的样本量(患者血清 10 mL)中实现了快速检测(1015 min),灵敏度提高至 69.1%43.此外,还研究了同时检测IgG和IgM病毒抗体而不是单一病毒抗体的免疫层析试纸,以提高灵敏度44.结果表明,该方法早期(7 d)敏感性较低,中期(814 d)至晚期(15 d)敏感性较高,证实发病 7 d 后可释放抗体.RT-PCR 结果验证了该条带对 SARS-CoV-2 检测的有效性,为 LFIAs 快捷光化学生物传感检测 SARS-CoV-2 开辟了一条新途径.荧光纳米团簇和量子点表现出优异的光学性能,在光学生物传感器中得到广泛应用45.荧光纳米材料的光学行为是由于量子减少和增加的表面体积比.此外,他们展示了颜色可调发射,产生了大的斯托克位移和更高的量子产率46.荧光标签,与光纤一起被证明是一种更简单的方法来开发传感器探针.Huang 等47报道了一种局部表面等离子体偶联荧光光纤生物传感器(LFI-GNPs),用于增强对 SARS-CoV-2 核衣壳蛋白的检测.他们使用了PMMA光纤,其中解密部分被固定化生物识别抗体和与荧光团偶联的标记.传感器显示为 0.1 pg/mL 灵敏度,比传统的 ELISA 测试高一倍,并被证明是高通量传感的合适候选者.此外,Huang 还开发了一种利用聚碳酸酯的低成本微流控平台,以荧光分子为标记,对 IgG/IgM/SARS-CoV-2 抗原进行多路检测.该平台集成了自制的荧光检测分析仪、SARS-CoV-2 诊断微芯片和多种免疫测定法,用于检测三种生物标志物(IgG、IgM 和抗原).通过检测 IgG 和 IgM 来评价微流体诊断系统对 SARS-CoV-2 感染进展的监测性能.5 例患者 IgG 阳性与临床诊断结果符合率均为 100%;只有 1例患者检测结果为假阴性,可能是感染第 2 天 IgM 水平未明显升高所致.上述结果表明,该免疫检测平台对新冠病毒的诊断具有较高的敏感性和特异性,为新冠病毒检测提供一种新的检测方法.该传感器的显著特点是操作简单、成本低和可即时检测等48.光学生物传感器具有安全、可直接使用和低成本的优点49.荧光、表面等离子体和比色法技术以前都曾用于检测 HIV、埃博拉病毒、诺如病毒和流感病毒等.这些技术已被用于纳米生物传感器,以实现靶向病毒检测.光学生物传感器也可以用作即时(PoC)诊断工具.其中包括用于改善光学成像荧光分析的核酸放大芯片(LOC)技术,特别是针对单个病毒成像,有潜力用于跟踪和监测病毒复制、细胞相互作用和终止,以便更快、更有效地开发治疗方案.应用这些成像技术检测SARS-CoV-2 的研究正在进行中.然而,光学生物传感器稳定性较差,面对干扰时无法保持准确性,目前市场上只有为数不多的用于病毒检测的光学生物传感器.图图 2 基于横向免疫分析的 SARS-CoV-2 病毒感染检测34 Figure 2 Detection of SARS-CoV-2 virus infection based on horizontal immunoassay34 化化 学学 学学 报报 综述 256 http,/sioc- 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 2.2 基于电化学方法的生物传感器检测新冠病毒 电化学生物传感器采用固定电极作为基础电极,将生物活性分子作为分子识别物固定在电极表面,然后通过生物分子间的特异性识别作用,使目标分子捕获在电极表面,将生物浓度信号转变为电流、电阻、电势以及电容等可测量的电信号作为响应信号,从而实现对目标分析物的定量或定性分析50.电化学生物传感器可用于检测各种重要的生物标志物,如血糖、尿酸、酮类、乳酸盐和脱氧核糖核酸(DNA)51.从应用和输出端可测量信号的角度来看,电化学生物传感器可分为电位法、安培法和电导法传感器52.基于纳米材料的电化学生物传感器已被开发并用于病毒检测,因为它们具有便携性、低成本和高灵敏度的优点53-54.一种由包含漏极、源极和栅极的三电极结构组成的基于场效应晶体管(FET)的生物传感装置,已被开发用于疾病标志物检测和小分子检测.FET 是一种电动生物传感器,在目标分子与固定在高导电性芯片表面上的生物识别元件结合后55,可以监测表面电位的变化.基于 FET 的生物传感器利用了半导体材料,如石墨烯、二硫化钼、氧化钛、氧化锌和氮化镓.它具有很高的灵敏度,允许将少量分析物迅速固定在传导通道上的探针上检测56.基于石墨烯的 FET 生物传感器由于其高载流子迁移率、高电子电导率和实验灵活性57,能够感知其表面周围区域的变化,为低噪声和超灵敏检测提供最佳的传感环境;因此,石墨烯基 FET 平台非常适合于敏感的免疫检测58.Seo 等59制备了基于石墨烯材料的 FET 生物传感器,接着采用 1-芘丁酸 N-羟基琥珀酰亚胺酯(PBASE)作为界面偶联剂将新冠病毒刺突蛋白抗体锚定于FET生物传感器上并进行检测.该传感器被用于检测临床样本中的 SARS-CoV-2 病毒,检测限为 1 fg/mL.此外,该装置与 MERS-CoV 没有明显的交叉反应性抗原.此研究提供了一种临床样本中 SARS-CoV-2病毒的快速、高灵敏度和特异性检测的潜在方案.Kim 等60开发了一种结合重组酶聚合酶扩增(RPA)的 电 化 学 生 物 传 感 器,用 于 快 速、灵 敏 地 检 测SARS-COV-2(图 3).该电化学生物传感器可以通过差分脉冲伏安法检测多个靶基因.RPA反应包括将RPA 扩增子与固定在工作电极上的巯基修饰引物杂交,这导致随着扩增子的积累,电流密度降低.该传感器的检出限分别为0.972 fg/L(RdRP基因)和3.925 fg/L(N基因),略低于或接近未经扩增后纯化的凝胶电泳 RPA 检测结果.该传感器采用电化学传感器和 RPA 结合,没有昂贵的传统 PCR 设备,缩短了样品检测的时间,并且可以实现超灵敏检测.Tripathy 等61开发了一种电化学生物传感技术,通过电沉积将金纳米颗粒沉积在钛(Ti)表面,作为传感电极.铂被用作参考电极和对电极以及聚二甲基硅氧烷(PDMS)储层,病毒 RNA 或 cDNA 与引入反应室的互补探针杂交产生电信号,包括电压、电流或阻抗.通过这些电信号的变化实现对病毒的检测.在另一项研究中,基于恒电位仪开发了用于SARS-CoV-2检测的丝网印刷碳电极,并将该电极的效率与用金纳米颗粒铸造的掺杂氟氧化锡(FTO)电极进行了比较62,该电极检测范围与恒电位仪在标准缓冲液中的浓度范围为 1 fmol/L1 mol/L 接近,证明了该电极是超灵敏、高特异性的.在这里,单克隆抗体被固定在金纳米颗粒上,并测量了电导率的变化.利用电化学生物传感器检测 SARS-CoV-2可用生物标志物的特性和检测机制总结见表 2.图图 3 结合重组酶聚合酶扩增(RPA)的电化学生物传感器示意图.RPA 反应发生在工作电极上,用差分脉冲伏安法(DPV)量化放大器检测60 Figure 3 Schematic diagram of an electrochemical biosensor combined with a recombinant enzyme polymerase amplification(RPA).The RPA reaction occurs at the working electrode and is detected by differential pulse voltammetry(DPV)quantization amplifier60 化化 学学 学学 报报 综述 Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http,/sioc- 257 表表 2 电化学生物传感器检测 SARS-CoV-2 可用生物标志物的特性和检测机制 Table 2 Characterization and detection mechanism of available biomarkers for detection of SARS-CoV-2 by electrochemical biosensors Biomarker Property Recognition element(probe)Detecting mechanism 参考文献 RNA N gene gRNA CRISPR-Cas12 Complementary interaction of genes 63 E gene Aptamer 64 RdRp/Helicase(Hel)Complementary DNA/RNA 65 Whole virus and Proteins Receptor binding domain(RBD)Antibody Conformational recognition 66 Spike protein 1(S1)Aptamer Protein-protein interaction 67 Spike protein 2(S2)Protein-aptamer interaction 68 N proteins 69 Antibody IgM antibody S proteins Protein-antibody interaction 70 IgG antibody N proteins Antigen-specific antibody response 71 Neutralizing antibodies:SNAb,REGN-COV2,S309 The receptor-binding domain(RBD)72 电化学生物传感器具有便携、成本低、前处理简单、良好的重复性和准确性等优点.但电化学生物传感器稳定性较差,面对环境的变化时,检测结果很可能不准确,存在检测灵敏度不够高的问题,在病毒浓度过低时可能无法检测.未来需要改善检测限和稳定性才可用于实际应用.2.3 基于可穿戴式器件的生物传感器检测新冠病毒 可穿戴生物传感器是一种可以穿戴在人体身上的便携的生物传感器,以无创的方法对汗水、眼泪、唾液或间质液等体液开展抽样,并对其所含的生物标志物开展化学分析73.可穿戴生物传感器含有高度特异的生物受体,这种生物受体能够在生理条件下识别复杂样品中的目标生物标记物及相关浓度.这一新技术的推广也要求对体液的生化组成有进一步的了解,如汗液或眼泪的生化组成及其与血液化学的关系.此外,为了实现不造成佩戴者不适的前提下无创采样,生物传感器还需要运用先进的材料和设计,进而提供必要的灵活性和延展性74.由于在自动化、定量分析和复杂生物样本干扰方面的局限,大多数商业化的PoC生物传感器只能作为辅助性检测工具75.远程健康监测和实时分析患者的生理参数是PoC生物传感器的主要限制.这可以通过可穿戴传感器、纳米技术和智能手机技术76-77领域的进步来解决.可穿戴传感器的研发主要是为了促进持续监测、无创测量,并克服传统实验室检测测试中涉及的费力的样品处理程序78-81.此外,汗液和眼泪等生物样本很容易采集.因此,可穿戴传感器提供了 PoC 检测,并有效实现了大规模检测新冠病毒,这对控制病毒的广泛传播至关重要.Seshadri 等82讨论了可穿戴设备和机器人应用的集成,以预测和远程监测 SARS-CoV-2 感染患者在临床症状发作前的生理状态变化.该团队设计了一个带有高带宽加速度计和精密温度传感器的生物传感器,传感器位于在胸骨上的皮肤组织上.传感器可以检测咳嗽频率,喘息和打喷嚏相关的高频呼吸特征,心率、心音和心脏振幅等信息.温度传感器周围的隔热袋能够测量皮肤温度.这些生理指标的检测有助于筛查新冠病毒感染早期症状,减少直接检测 SARS-CoV-2 的成本.如今,智能手表越来越多地使用各种软件来评估个人的身体健康.这些可穿戴设备使用加速计和光学传感器来测量血压、温度和心率83-84.Seshadri 等还提出了使用智能手表和可穿戴设备来检测 SARS-CoV-2 的思路,测量了SARS-CoV-2 感染患者和非感染患者的一些生理指标,发现 SARS-CoV-2 感染后患者一些生理反应会升高,包括心率、核心体温和睡眠时间.并且发现随着感染的严重程度的增加,患者的血氧浓度会降低并且出现心律失常的症状.因此,可以使用商业可穿戴设备监测心率、呼吸频率、脉搏率、睡眠活动、温度等生物参数,以远程跟踪 SARS-CoV-2 感染.这可以确保在 SARS-CoV-2疾病85发病前进行早期识别,并促进患者隔离.因此,这些医疗保健智能手表被发现是可行的,可以远程提醒个人健康状况.除了现有的测量心率和其他身体活动等生理参数的 可 穿 戴 设 备 外,更 多 的 生 理 指 标 正 在 作 为SARS-CoV-2 感染的重要参数被考虑进可穿戴设备,包括呼吸频率、体温和咳嗽频率方面的呼吸活动.Rogers等86学者与美国卫生和人类服务部的生物医学高级研究和发展公司(BARDA)和索尼卡健康公司合作,开发了一个胸装贴片传感器,用于测量完整的呼吸相关特征、与心脏活动相关的重要参数(心音、心率和心脏振幅)和体温.贴片传感器由一个加速计和一个温度传感器组成,放置在直接接触颈部皮肤的底部.对50名受试者进行了贴片传感器的前期检测,结果显示该传感器的信号变化与呼吸参数的变化密切相关,有助于了解受试者是否感染 SARS-CoV-2 病毒.此外,贴片传感器减少了患者的不适,因此促进了 SARS-CoV-2 大规模筛查的应用.在新冠肺炎大流行期间,口罩被认为是控制 化化 学学 学学 报报 综述 258 http,/sioc- 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 SARS-CoV-2 感染蔓延的最重要的防护工具87,对口罩的巨大需求导致全球口罩短缺.然而,长时间使用口罩会有较高的风险,更有可能因长时间接触口罩上沾留的SARS-CoV-2而影响自己.Liu等88设计了一种与纳米技术结合的口罩.加入了聚合物基纳米涂层可以提高口罩的过滤效率和疏水性,克服了目前的担忧.这种与纳米技术相结合的创新型口罩可能为用于诊断和自我保护的可穿戴口罩的发展提供了新思路.金属有机框架涂层可穿戴口罩可从简单的视觉颜色变化实时检测SARS-CoV-2 病毒.Rabiee 等89利用贵金属纳米粒子光学性质的变化来检测病毒的存在.利用物理吸附或化学吸附将纳米颗粒掺杂到纳米多孔基质中,如金属有机框架(MOF).然后将掺有 MOF 的纳米粒子涂覆在口罩表面,当掺有的纳米粒子与病毒相互作用时,掺有的纳米粒子的光学性质会发生改变,从而导致可见的颜色变化.通过颜色的变化可以检测 SARS-CoV-2 的存在.总体而言,可穿戴传感器实时检测 SARS-CoV-2 的研究,有助于控制疫情的传播.纳米技术与智能手机探测器的结合可以用于 SARS-CoV-2 的定性和定量检测.然而,这只能为病毒检测提供初步筛查,并随后推荐进一步检测和治疗的标准检测方案.可穿戴式传感器具有便携方便的优点,但技术发展并不成熟,只能作为辅助检测工具,不能用来独立检测新冠病毒.3 纳米材料用于生物传感器 3.1 磁性纳米颗粒用于生物传感器 磁性纳米颗粒(MNPs)已经成为开发用于检测致命呼吸道病毒感染的生物传感器的有希望的候选者90-91.利用 MNPs,已经开发出不同的生物传感技术,如磁共振(NMR/MRI)、荧光、电化学、滚环扩增等.Tian 等92报道了这种独特的核酸定量方法,该方法借助 C2CA 和光磁分析氧化铁 NPs(IONPs),由同质环到环扩增(HC2CA)过程产生的末端扩增子(ssDNA)与嫁接到IONPs 上的检测探针杂交(图 4).这种现象导致了离子阱的组装.由于离子的组装表现出对光的散射/吸收的特定特性,在外部时变磁场的影响下,它随此类磁性物体的旋转而变化.利用光磁生物传感方法分析了HC2CA 悬浮液中 IONPs 的状态,建立一个实时的体积传感系统,并进一步研究了该技术对 SARS-CoV-2 合成互补DNA RdRp序列检测的生物传感能力.该技术的检出限为 0.4 fmol/L,总检测时间为 100 min.该技术对SARS-CoV-2 和 SARS-CoV 病毒序列具有特异性93.Zhao 等94合成了羧基聚合物包被磁性 NPs(pcMNPs),并将该纳米系统用于高效 RNA 提取检测 SARS-CoV-2感染.基于 pcMNPs 的纳米系统在一个步骤中表现出病毒 裂 解 和 RNA 结 合 的 综 合 特 性,因 此 得 到 的pcMNPs-RNA 复合物可以直接用于后续的 RT-PCR 反应.此外,随着病毒 RNA ORFlab 和 N 基因的鉴定,基于 RT-PCR 的生物传感 pcMNPs 被发现检测限可以低到10 拷贝,检测范围在 10105 个拷贝.本研究表明,pcMNPs支持的RNA提取方法可以解决RT-PCR技术快速诊断 SARS-CoV-2 的问题.磁性纳米颗粒是一种新型的纳米材料,磁性纳米颗粒综合了磁性材料和纳米材料两者的优点,具有比表面积大、磁响应性强、生物相容性好、超顺磁性、易于吸附等特点,已经在生物传感器领域得到了研究和应用,磁性纳米颗粒的介入为生物传感器的发展提供了无穷的想象空间.由于磁性纳米颗粒有着优异的化学和物理性能,有着极高的比表面,有利于提高敏感分子的吸附能力,并能提高生化反应的速度,因此磁性纳米颗粒生物传感器在应用于新冠病毒检测时,具有灵敏度高、响应速度快、检测范围宽、对新冠病毒选择性好的优点.但磁性纳米颗粒的相关理论还尚不完善,这为磁性纳米颗粒生物传感器实际用于新冠病毒的检测带来了困难.图图 4 切割辅助酶级联扩增的示意图.在单环扩增步骤中,多个聚合酶同时作用于同一个圆形模板(连接挂锁探针)上,生成中间扩增子.然后,中间放大器退火为离环放大的线性模板,生成末端放大器.环上和环外反应的扩增子都导致了 MNPs 的组装.在连接步骤之后,所有的过程包括级联扩增、MNP 杂交和光磁检测在 50 的芯片上同时进行92 Figure 4 Schematic diagram of cleavage helper enzyme cascade amplification.In the single-loop amplification step,multiple polymerases simultane-ously act on the same circular template(attached to a padlock probe)to generate an intermediate amplicon.The intermediate amplifier is then annealed into a linear template for off-loop amplification to generate the end amplifier.The amplicon of both the on-ring and off-ring reactions leads to the assembly of MNPs.After the connection step,all processes including cascade amplification,MNP hybridization and optical magnetic detection were performed simul-taneously on a 50 chip92 化化 学学 学学 报报 综述 Acta Chim.Sinica 2023,81,253263 2023 Shanghai Institute of Organic Chemistry,Chinese Academy of Sciences http,/sioc- 259 3.2 纳米金材料用于生物传感器 由于特殊的物理化学性质,金基纳米结构已广泛应用于生物医学领域.金纳米结构已被用作光信号放大器、电流放大器和共振光散射的信号转换器,制造用于病毒检测的生物传感器95.Qiu 等96在开发了一种基于金纳米材料的等离子体效应的新型 SARS-CoV-2 双功能生物传感平台.该生物传感器基于等离子体光热(PPT)和局部表面等离子体共振(LSPR)效应,采用二维金纳米(AuNIs)芯片,在 BK7玻璃表面自组装热脱湿金(Au)纳米膜.然后 2D-AuNIs被 互 补 DNA 受 体 功 能 化,通 过 核 酸 杂 交 促 进SARS-CoV-2 的灵敏检测.该方法检测限计算为 0.22 pmol/L,并记录原位PPT增强,显著提高了杂交动力学,从而特异性检测核酸,可以准确区分不同基因序列.Moitra 等97采用巯基修饰反义寡核苷酸(ASOs)覆盖的 AuNPs AuNPs-ASOs用于检测 SARS-CoV-2.通过AuNPs-ASOs构建的生物传感器对RNA样本(口咽拭子)中的核衣壳磷蛋白(n 基因)具有特异性,可以在 10 min 内检测到 SARS-CoV-2 感染.在 SAR