體外診斷領域功能微納米材料研究綜述論文

　　多因子生物檢測，即在復雜生物樣本中同時檢測一系列目標物，對于分析生物反應和過程、疾病診斷等方面都比單因子檢測有著明顯的優勢，并對人類健康問題和生命科學的發展有著重要意義。而針對目前多因子檢測領域還存在的一些關鍵性的問題，例如如何增加可分辨的信號數量用于待測物編碼、如何提高整個體系的檢測性能以滿足所有待測物的檢測靈敏度要求以及如何簡化檢測流程以降低時間和人力成本等，從設計和控制微納米材料的結構和性能入手可以提供有效的解決方案。近日，復合材料研究所李萬萬研究員聯合電子信息與電氣工程學院崔大祥教授及新加坡國立大學陳小元教授等人在國際著名學術期刊《Advanced Materials》上以Frontispiece的形式發表了題為“Functional Micro-/Nanomaterials for Multiplexed Biodetection”的綜述論文。

　　該綜述從分析體外多因子檢測領域的三大關鍵性問題入手，系統地討論了如何通過設計和調節功能微納米材料的結構和性能來為這些難題提供解決方案。體外多因子檢測領域的關鍵問題之一為實現可分辨的編碼信號并構建足夠大的編碼庫。編碼庫中可分辨的編碼信號數量直接決定了多因子檢測同時能檢測的目標物數量的上限。為了克服傳統有機熒光染料編碼信號數量有限的缺點，從發展新型光學信號編碼材料和發展具有不同維度的編碼信號的材料兩個角度都可以為解決這一問題提供新思路。新型光學信號編碼材料包括：基于量子點熒光信號、拉曼信號、發光壽命、光反射、光散射以及圖案等編碼材料；其他維度的編碼信號包括：電化學、元素含量以及信號空間位置等。

　　關鍵問題之二為提高多因子檢測性能。因為必須同時檢測具有不同檢測限的多個目標，而多目標之間可能存在干擾等相互作用，所以多因子生物檢測的靈敏度要求往往高于單因子檢測。 提高檢測靈敏度的方法主要有兩種：一是提高信號值，二是降低背景噪聲。通過聚合物基/硅基微納米材料負載更多的信號分子這一顆粒增強信號策略可以提高每個檢測事件的報告信號強度從而提高信號值；而通過材料結構和性能的調控并結合金屬增強熒光、表面增強拉曼散射等效應同樣可以提高單個檢測事件標記物的本征報告信號強度，也可以提高檢測信號。 運用具有化學發光、上轉換發光、時間分辨熒光或者磁分離功能的微納米材料在體系中能夠降低整個體系檢測的背景噪聲，提高信噪比，從而改善檢測性能。

　　關鍵問題之三為簡化工作流程從而實現快速檢測。在體外檢測領域，具有簡化工作流程的快速檢測，不僅可以縮短檢測時間，降低儀器和人力成本，而且可以大大降低復雜過程中發生意外錯誤的風險，從而提高了檢測的準確性和可靠性。而這一問題的解決策略又可以分為肉眼信號判讀、免洗檢測、免標記檢測和便攜式設備集成檢測。除了上述討論的三個關鍵問題之外，納米技術、材料化學和材料制備結合人工智能技術及高性能計算進一步深入發展也是重要的方向之一，并且多因子檢測領域綜合了材料、化學、生物、電子和機械等多個學科，需要各個學科的高度合作。隨著更精細的材料設計和更優越的檢測平臺在多因子生物檢測領域不斷涌現，這些技術將有效促進疾病預防和診斷、各種“組學”的持續發展以及個性化醫療的實現。