由于納米材料具有獨(dú)特的光、磁、電、熱性能，可用于產(chǎn)生不同類型的檢測(cè)信號(hào)、放大檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度及簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程等，因此基于納米材料的體外診斷技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用前景。納米材料可以應(yīng)用于核酸、蛋白、小分子、細(xì)菌和病毒等的檢測(cè)。

體外診斷（In Vitro diagnosis，IVD）技術(shù)，通常是指在人體之外，通過(guò)對(duì)機(jī)體包括血液、體液及組織等樣本進(jìn)行檢測(cè)而獲取相關(guān)的臨床診斷信息，從而幫助判斷疾病或機(jī)體功能的產(chǎn)品和服務(wù)。中國(guó)IVD發(fā)展起步較晚，但受益于醫(yī)療消費(fèi)水平的提高、國(guó)家醫(yī)療體制改革的推動(dòng)、產(chǎn)業(yè)政策的扶持，以及其一次性消費(fèi)的特點(diǎn)，IVD行業(yè)近年來(lái)獲得了高速增長(zhǎng)。2016年，中國(guó)體外診斷市場(chǎng)規(guī)模已達(dá)約430億元人民幣，根據(jù)中國(guó)醫(yī)藥工業(yè)信息中心發(fā)布的《中國(guó)健康產(chǎn)業(yè)藍(lán)皮書(shū)（2016）》，到2019年，中國(guó)IVD市場(chǎng)規(guī)模將有望達(dá)到723億元，3年間年均復(fù)合增長(zhǎng)率高達(dá)18.7%，發(fā)展迅猛。顯然，IVD在現(xiàn)代社會(huì)中扮演著越來(lái)越重要的角色，目前臨床上80%以上的疾病診斷都與之相關(guān)，因此在疾病預(yù)防、診斷、監(jiān)測(cè)以及指導(dǎo)治療的全過(guò)程中，發(fā)揮著極其重要的作用，是現(xiàn)代疾病與健康管理不可或缺的工具。隨著臨床醫(yī)學(xué)診療技術(shù)的迅速發(fā)展，許多傳統(tǒng)、常規(guī)的體外診斷技術(shù)已不能滿足臨床醫(yī)學(xué)發(fā)展的需要，人們對(duì)臨床診斷分析的靈敏度、準(zhǔn)確度和特異性等要求越來(lái)越高。

納米材料是一門迅速發(fā)展的新興材料學(xué)科，由于其可以提供更多新的解決方案來(lái)改進(jìn)目前的診斷技術(shù)，因此在體外診斷技術(shù)領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。納米材料具有獨(dú)特的尺寸依賴物理或化學(xué)性質(zhì)，在納米尺度（一般指1-100 nm）內(nèi)，可以通過(guò)改變它們的尺寸、形狀、化學(xué)組成及表面官能團(tuán)等來(lái)調(diào)節(jié)其光、磁、電、熱及生物學(xué)性能，特別是納米材料由于具有遠(yuǎn)高于宏觀材料的比表面積，可提供大量的空間在其表面修飾不同的分子，使得它們?cè)谏锓治龊蜕飩鞲衅鞯葢?yīng)用方面具有重要作用。利用這些表面修飾了不同分子的納米材料可以有選擇性地檢測(cè)小分子、核酸、蛋白質(zhì)和微生物等（圖1）。顯然，納米材料與體外診斷技術(shù)融合后有望具有檢測(cè)限更低、靈敏度更高、選擇性更強(qiáng)等特性，而納米材料與臨床診斷分析技術(shù)相結(jié)合也將把臨床體外診斷學(xué)科推向新的發(fā)展生長(zhǎng)點(diǎn)。

1 典型功能納米材料及其性能特點(diǎn)

目前，納米材料由于其獨(dú)特的光、磁、電、熱性能，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于體外診斷領(lǐng)域。這些性能可用來(lái)產(chǎn)生不同類型的檢測(cè)信號(hào)、放大檢測(cè)信號(hào)的強(qiáng)度以及簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程等。而在眾多納米材料中，半導(dǎo)體量子點(diǎn)、金納米顆粒及磁性納米顆粒最為典型（圖2），目前已應(yīng)用于各種體外診斷技術(shù)。

1.1 半導(dǎo)體量子點(diǎn)

量子點(diǎn)是由II-VI、IV-VI或者III-V族元素組成的半導(dǎo)體納米晶。這些納米材料由于量子限域效應(yīng)顯示出與粒徑相關(guān)的光電性能。當(dāng)半導(dǎo)體材料的粒徑接近或者小于其玻爾激子半徑時(shí)，其能帶成為具有勢(shì)壘的離散能級(jí)，從而限制電子的運(yùn)動(dòng)，這種量子限域效應(yīng)形成了量子點(diǎn)粒徑可調(diào)性能的基礎(chǔ)。當(dāng)量子點(diǎn)的粒徑增加時(shí)，其分立能級(jí)發(fā)生分裂導(dǎo)至禁帶寬度變窄，相應(yīng)的電子空穴對(duì)復(fù)合后發(fā)射出長(zhǎng)波長(zhǎng)的光子。因此，量子點(diǎn)的發(fā)光可以通過(guò)其粒徑調(diào)節(jié)，發(fā)射出不同波長(zhǎng)的光（圖2（a））。

此外，量子點(diǎn)還具有寬而連續(xù)的吸收譜，該光學(xué)性能有利于其應(yīng)用于體外檢測(cè)，因?yàn)閾碛胁煌l(fā)射光譜的量子點(diǎn)可以被單束激光所激發(fā)。但對(duì)于有機(jī)染料來(lái)說(shuō)，具有不同發(fā)射譜的有機(jī)染料通常需要不同波長(zhǎng)的激光器激發(fā)。此外，量子點(diǎn)還具有更窄的發(fā)射譜、更好的光穩(wěn)定性、更高的發(fā)光強(qiáng)度等，這些優(yōu)異的發(fā)光性能使得量子點(diǎn)非常適合在生物標(biāo)記及體外檢測(cè)方面的應(yīng)用。

1.2 金納米顆粒

金納米顆粒由于其表面等離子共振（surface plasmon resonance，SPR）效應(yīng)，顯示出獨(dú)特的光、熱性能。當(dāng)金納米顆粒被光激發(fā)后，電場(chǎng)的振蕩導(dǎo)至導(dǎo)帶的電子（也叫等離激元）同步發(fā)生振蕩。導(dǎo)帶電子的位移在表面上產(chǎn)生了凈電荷差或偶極子，這種偶極子與入射光的電場(chǎng)同相振蕩，在特定波長(zhǎng)下將引起強(qiáng)烈的光吸收。對(duì)于粒徑小于50 nm的球形金納米顆粒，藍(lán)、綠光波段的光容易被吸收并傳播出紅色波段的光，因此粒徑小的球形金納米顆粒溶液通常顯示出紅色。振蕩頻率或者吸收波長(zhǎng)取決于電子密度、電子的有效質(zhì)量和電荷分布，這些因素都受到納米顆粒的粒徑、形狀和表面化學(xué)狀態(tài)的影響。隨著金納米顆粒粒徑的增加，其吸收峰的位置向長(zhǎng)波長(zhǎng)方向紅移，溶液的顏色則變成暗紫色。球形金納米顆粒只呈現(xiàn)出單一吸收峰，而金納米棒則呈現(xiàn)出兩個(gè)吸收峰：一個(gè)在可見(jiàn)光波長(zhǎng)范圍，對(duì)應(yīng)于橫向等離激元；另一個(gè)在近紅外波長(zhǎng)范圍，對(duì)應(yīng)于縱向等離激元。顆粒間距也可影響金納米顆粒的吸收譜。當(dāng)其小于金納米顆粒的直徑時(shí)，溶液的顏色將由紅色向紫色或者藍(lán)色變化（圖2（b）），取決于其聚集狀態(tài)，而表面等離激元的耦合導(dǎo)至了吸收峰的紅移。金納米顆粒還可以在光激發(fā)的條件下產(chǎn)生熱。當(dāng)入射光的頻率和表面等離子共振吸收峰匹配時(shí)，金納米顆粒將通過(guò)非輻射衰減的形式產(chǎn)生熱。在這個(gè)過(guò)程中，激發(fā)的熱電子在弛豫時(shí)將能量轉(zhuǎn)移到晶格上，并伴隨著聲子-聲子相互作用，其中晶格能被耗散到環(huán)境中，導(dǎo)至納米顆粒周圍被局部加熱。

1.3 磁性納米顆粒

目前存在幾種常見(jiàn)的磁性納米顆粒，如氧化鈷、氧化鎳和氧化鐵等。其中氧化鐵納米顆粒由于其良好的生物相容性、生物可降解性和超順磁性等，在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域得到了廣泛的研究。在宏觀尺度下，磁性粒子的電子可以以相反或相同的方式旋轉(zhuǎn)，其中相反的自旋互相抵消，削弱局域磁場(chǎng)。另一方面，納米尺度上的磁性粒子具有更多只在同一方向旋轉(zhuǎn)的束縛電子，強(qiáng)化了局域磁場(chǎng)。超順磁性氧化鐵納米顆粒小于20 nm時(shí)，具有同一方向自旋的電子單疇，而當(dāng)其粒徑大于20 nm時(shí)，則具有相反自旋的多個(gè)電子疇（圖（2 C）。因此和順磁性材料相比，超順磁性氧化鐵納米顆粒顯示出對(duì)外部磁場(chǎng)具有更大的磁化率。和鐵磁性材料的永久保持磁性能相比，超順磁性氧化鐵納米顆?？赏ㄟ^(guò)去除外磁場(chǎng)來(lái)消磁。由于這些原因，目前已有多個(gè)被美國(guó)食品藥品監(jiān)督管理局（Food and Drug Administration，FDA）批準(zhǔn)的磁性納米顆粒產(chǎn)品用作磁共振對(duì)比劑，還有很多公司在提供磁性納米顆粒用于細(xì)胞分離或者提取蛋白質(zhì)和核酸等生物分子。

2 納米材料的不同信號(hào)模式在體外診斷中的應(yīng)用

在過(guò)去的20多年里，大量的納米材料被開(kāi)發(fā)應(yīng)用于體外診斷中，納米材料獨(dú)特的性能被用來(lái)提高傳統(tǒng)體外診斷技術(shù)的檢測(cè)性能以及開(kāi)發(fā)全新的檢測(cè)方法。其中利用納米材料的熒光信號(hào)、表面增強(qiáng)拉曼信號(hào)、磁信號(hào)、電化學(xué)信號(hào)、顏色信號(hào)及熱信號(hào)等作為體外診斷的信號(hào)檢測(cè)模式最具代表性（表1）。

2.1 基于熒光信號(hào)的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

基于熒光的檢測(cè)技術(shù)主要用于目標(biāo)物為核酸或者蛋白的檢測(cè)。但是，傳統(tǒng)的熒光染料由于容易光漂白、量子效率不高及較寬的熒光光譜等導(dǎo)至其多指標(biāo)檢測(cè)能力有限。而窄的吸收光譜導(dǎo)至不同的熒光染料需要不同的激光器來(lái)激發(fā)，因此，半導(dǎo)體量子點(diǎn)常被用來(lái)解決傳統(tǒng)熒光染料的這些缺陷。量子點(diǎn)在酶聯(lián)免疫吸附實(shí)驗(yàn)（ELISA）免疫檢測(cè)和DNA微陣列檢測(cè)中可用做報(bào)告熒光分子實(shí)現(xiàn)化學(xué)殘留物和癌癥抗原標(biāo)志物的單指標(biāo)或者多指標(biāo)的檢測(cè)（圖3（a）），這個(gè)系統(tǒng)檢測(cè)肌紅蛋白的檢測(cè)限（LOD）可達(dá)subattomolar級(jí)別。量子點(diǎn)還可以應(yīng)用于基于能量轉(zhuǎn)移（FRET）的檢測(cè)和多指標(biāo)檢測(cè)（圖3（b、c））。FRET檢測(cè)系統(tǒng)利用量子點(diǎn)作為能量給予體，可以將其能量轉(zhuǎn)移給受體或者猝滅劑，以實(shí)現(xiàn)小分子及核酸的檢測(cè)，其靈敏度可分別達(dá)到10~103 nmol/L及1~103 nmol/L。量子點(diǎn)的多指標(biāo)檢測(cè)能力主要來(lái)源于其熒光編碼能力，將不同組合的量子點(diǎn)引入聚合物微球中可以產(chǎn)生不同的熒光編碼。量子點(diǎn)編碼的微球表面可修飾DNA捕獲探針，通過(guò)和熒光染料標(biāo)記的目標(biāo)DNA雜交后可同時(shí)產(chǎn)生編碼信號(hào)和檢測(cè)信號(hào)。研究表明，基于量子點(diǎn)編碼微球的檢測(cè)體系已成功實(shí)現(xiàn)了多種疾病的生物標(biāo)志物檢測(cè)，靈敏度高達(dá)pM級(jí)別。此外，在量子點(diǎn)編碼微球表面包覆一層金屬納米殼層可通過(guò)金屬增強(qiáng)熒光效應(yīng)進(jìn)一步提高其檢測(cè)靈敏度（2個(gè)數(shù)量級(jí)），同時(shí)還可以獲得更好的微球穩(wěn)定性。量子點(diǎn)編碼微球檢測(cè)體系的多指標(biāo)檢測(cè)能力對(duì)于體外檢測(cè)技術(shù)發(fā)展非常有利，可以有效降低多指標(biāo)檢測(cè)過(guò)程的人力成本和時(shí)間成本。近年來(lái)，一些新型納米發(fā)光材料也被用于實(shí)現(xiàn)體外多指標(biāo)檢測(cè)。

金納米顆粒由于其表面等離子共振效應(yīng)，可用來(lái)淬滅其表面附近熒光染料的熒光。這種淬滅效應(yīng)可以在較長(zhǎng)的距離（約為75 nm）起作用，且依賴于金納米顆粒的形狀和大小。因此，金納米顆?？捎糜诨贔RET的體外檢測(cè)，在檢測(cè)過(guò)程中，激發(fā)態(tài)電子的能量以非輻射躍遷的形式從熒光染料分子轉(zhuǎn)移到納米顆粒。該檢測(cè)方法同樣顯示出改善的檢測(cè)靈敏度、更好的選擇性以及可同時(shí)淬滅多種熒光染料。此外，在金納米顆粒-量子點(diǎn)檢測(cè)系統(tǒng)中，量子點(diǎn)同樣可被高效地淬滅，可應(yīng)用于定量檢測(cè)流感病毒的抗原及細(xì)胞內(nèi)的病毒滴度，靈敏度可分別高達(dá)100 pmol/L和0.1PFU/mL。與金納米顆粒類似，氧化石墨烯同樣可以淬滅其表面附近熒光染料及量子點(diǎn)的熒光信號(hào)。氧化石墨烯可以偶聯(lián)染料標(biāo)記的單鏈DNA探針，并在目標(biāo)DNA不存在的條件下淬滅其熒光信號(hào)，但是在與目標(biāo)DNA片段結(jié)合后，DNA將從石墨烯表面釋放，從而恢復(fù)熒光信號(hào)。

2.2 基于拉曼信號(hào)的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

拉曼光譜學(xué)是一種通過(guò)分析材料的散射光譜獲得材料分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)方面信息，并應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)研究的分析方法。由于拉曼光譜包含具有多種元素特異性的光譜信號(hào)，其光譜的半高寬（FWHM）可窄至1nm，因此這種技術(shù)有望應(yīng)用于多指標(biāo)檢測(cè)。最近研究人員通過(guò)調(diào)控炔烴的化學(xué)結(jié)構(gòu)（苯環(huán)數(shù)目，C≡C數(shù)目，官能團(tuán)鄰間對(duì)位置以及不同的同位素），得到了一系列具有典型的拉曼特征峰的聚炔烴，且光譜很窄，并將其命名為Carbow。通過(guò)溶脹法可將10種不同拉曼特征峰的聚炔烴和3個(gè)強(qiáng)度水平進(jìn)行微球編碼，理論上可以得到310-1=59048個(gè)光譜編碼的超級(jí)微球編碼庫(kù)（圖4（a））。但是，傳統(tǒng)的拉曼散射通常伴隨著低的吸收截面，大大限制了檢測(cè)靈敏度。金屬納米顆粒的表面等離子共振效應(yīng)可用來(lái)增強(qiáng)拉曼信號(hào)（圖4（b））。當(dāng)拉曼分子接近金納米顆粒表面或者處于2個(gè)或多個(gè)納米顆粒之間的交叉SPR場(chǎng)產(chǎn)生的“熱點(diǎn)”位置時(shí)，該信號(hào)將大大的增強(qiáng)（可高達(dá)1011倍），從而實(shí)現(xiàn)高靈敏的單分子檢測(cè)。由于其吸收峰面積與濃度相關(guān)，因此可用來(lái)對(duì)目標(biāo)分子進(jìn)行定量分析。

產(chǎn)生強(qiáng)的“熱點(diǎn)”，需要精確地控制納米顆粒的形狀，因此制備過(guò)程中費(fèi)時(shí)費(fèi)力。而且表面增強(qiáng)拉曼探針和熱點(diǎn)之間的距離也需要非常嚴(yán)格地控制，距離相差幾個(gè)納米就有可能在增強(qiáng)信號(hào)上相差幾個(gè)數(shù)量級(jí)。這將導(dǎo)至不同探針之間的增強(qiáng)性能差別較大，使定量分析復(fù)雜化?；谝陨蠁?wèn)題的考慮，大部分應(yīng)用都是基于靈敏度更低的塊體系統(tǒng)而不是單分子的納米系統(tǒng)，其表面拉曼增強(qiáng)效果主要通過(guò)將探針固定在溶液體系的金屬納米顆粒表面獲得。目前該技術(shù)已經(jīng)成功用于核酸檢測(cè)（10~100 pmol/L LOD）、蛋白檢測(cè)（100 pmol/L LOD）、腫瘤細(xì)胞檢測(cè)、細(xì)菌檢測(cè)（250 cell/mLLOD）、病毒檢測(cè)（100 PFU/mL LOD）及活細(xì)胞內(nèi)小分子藥物的示蹤（100 pmol/L LOD）（圖4）。該技術(shù)的主要缺點(diǎn)是探針必須在納米顆粒的表面，限制了納米顆粒的表面化學(xué)選擇。此外，表面增強(qiáng)拉曼效應(yīng)需要高能量激光器激發(fā)并且需要貴重的設(shè)備類獲得信號(hào)，這阻礙了該技術(shù)應(yīng)用于快速檢測(cè)應(yīng)用轉(zhuǎn)化。

2.3 基于磁性能的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

由于磁性納米顆粒在磁場(chǎng)條件下可以分離不同的反應(yīng)物，因此已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于生物檢測(cè)試劑的開(kāi)發(fā)上。在生物檢測(cè)中使用磁性納米顆粒可簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程中涉及分離或者洗滌步驟的設(shè)計(jì)，常規(guī)的量子點(diǎn)編碼微球檢測(cè)體系可通過(guò)在編碼過(guò)程中加入磁性納米顆粒，結(jié)合磁場(chǎng)和微流控設(shè)備實(shí)現(xiàn)其自動(dòng)化檢測(cè)，將整個(gè)檢測(cè)過(guò)程簡(jiǎn)化（圖5）。磁分離同樣被用在高靈敏度生物編碼檢測(cè)技術(shù)上，該檢測(cè)將磁性納米顆粒和金報(bào)告納米顆粒相結(jié)合，2種顆粒的表面都修飾了核酸或者蛋白，用來(lái)識(shí)別和結(jié)合目標(biāo)分析物。結(jié)合分析物可將2種顆粒橋接在一起，使得金納米顆?？呻S著磁性納米顆粒通過(guò)磁場(chǎng)被分離出來(lái)。這樣編碼DNA可從金納米顆粒上釋放出來(lái)，最終通過(guò)檢測(cè)儀檢測(cè)出來(lái)。

磁性納米顆粒同樣可以直接用作報(bào)告探針，通過(guò)其產(chǎn)生的磁信號(hào)指示目標(biāo)分子的存在。樣品的橫向弛豫時(shí)間（T2）的變化可通過(guò)微型核磁共振儀檢測(cè)出來(lái)，該變化可通過(guò)目標(biāo)DNA存在的情況下用磁性納米顆粒修飾微球的表面，用磁性納米顆粒標(biāo)記目標(biāo)細(xì)胞的表面、目標(biāo)分析物存在的情況下磁性納米顆粒之間的團(tuán)聚等方式獲得。研究結(jié)果表明該技術(shù)可成功實(shí)現(xiàn)蛋白（1 pmol/L LOD）、核酸（0.2~10 pmol/L LOD）、腫瘤細(xì)胞（2 cell）和細(xì)菌（1 CFU/uLLOD）的檢測(cè)。

磁性納米顆粒同樣可以直接用作報(bào)告探針，通過(guò)其產(chǎn)生的磁信號(hào)指示目標(biāo)分子的存在。樣品的橫向弛豫時(shí)間（T2）的變化可通過(guò)微型核磁共振儀檢測(cè)出來(lái)，該變化可通過(guò)目標(biāo)DNA存在的情況下用磁性納米顆粒修飾微球的表面，用磁性納米顆粒標(biāo)記目標(biāo)細(xì)胞的表面、目標(biāo)分析物存在的情況下磁性納米顆粒之間的團(tuán)聚等方式獲得。研究結(jié)果表明該技術(shù)可成功實(shí)現(xiàn)蛋白（1 pmol/L LOD）、核酸（0.2~10 pmol/L LOD）83]）、腫瘤細(xì)胞（2 cell）和細(xì)菌（1 CFU/uLLOD）的檢測(cè)。

2.4 基于電化學(xué)信號(hào)的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

電化學(xué)生物檢測(cè)是過(guò)去50年來(lái)逐漸發(fā)展起來(lái)的另一類生物傳感技術(shù)。該技術(shù)的核心是傳感器，它可以將與化學(xué)分析物相互作用后使系統(tǒng)電學(xué)性能（如電流、電位或者阻抗）發(fā)生變化的信號(hào)通過(guò)電子設(shè)備檢測(cè)出來(lái)。這種技術(shù)主要有生物催化傳感和生物親和性傳感2種檢測(cè)途徑。在生物催化傳感途徑中，酶被固定在電極的表面，其底物為目標(biāo)分析物。當(dāng)酶與分析物相結(jié)合后，將產(chǎn)生電活性的化學(xué)物質(zhì)，或者直接將電子傳遞到電極。一般采用高催化活性的酶可獲得高檢測(cè)靈敏度（fmol/L）（圖6（a）），而底物的特異性結(jié)合將使得復(fù)雜的混合物檢測(cè)不需要樣品的預(yù)處理。但是，這種方法的主要缺點(diǎn)是酶只能用于有限數(shù)量的底物。而在生物親和性傳感檢測(cè)途徑中，電極上一般預(yù)先包覆抗體或者DNA探針，用于識(shí)別目標(biāo)蛋白、小分子抗原或者用來(lái)和互補(bǔ)的DNA雜化。當(dāng)目標(biāo)物和這些探針結(jié)合后將調(diào)節(jié)表面的電學(xué)性能，從而改變檢測(cè)的電信號(hào)。由于抗體可用于大量抗原，而DNA探針則可被設(shè)計(jì)成各種序列，因此這種技術(shù)可以推廣至多種目標(biāo)檢測(cè)物。但是，由于沒(méi)有信號(hào)放大的步驟，該檢測(cè)方法的檢測(cè)靈敏度仍然受到一定的限制。

為了提高生物親和性電化學(xué)傳感的檢測(cè)靈敏度，多種基于納米材料的檢測(cè)方法被開(kāi)發(fā)出來(lái)。如采用不同的抗體受體修飾納米線場(chǎng)效應(yīng)管后用于檢測(cè)單個(gè)病毒顆粒（圖6（b））。電極上也可以包覆上金納米顆粒或者碳納米管，通過(guò)改變其阻抗從而獲得更高的檢測(cè)靈敏度。目前采用該技術(shù)已成功實(shí)現(xiàn)了DNA（pmol/L LOD）、蛋白質(zhì)（1 nmol/L LOD[91]）、病毒（單個(gè)）及細(xì)菌（10~100個(gè)）的高靈敏檢測(cè)。而采用納米顆粒-標(biāo)記表面-結(jié)合分析物的類三明治結(jié)構(gòu)可以通過(guò)提高阻抗強(qiáng)度的調(diào)節(jié)來(lái)獲得更高的檢測(cè)靈敏度，從而成功實(shí)現(xiàn)核酸（fmol/L LOD）和蛋白質(zhì)（fmol/L LOD）的檢測(cè)。DNA的多指標(biāo)檢測(cè)則可通過(guò)使用多種具有不同伏安特征的納米晶標(biāo)記實(shí)現(xiàn)。當(dāng)然，電化學(xué)生物檢測(cè)技術(shù)也同樣存在一些缺點(diǎn)，包括非特異性吸附、需要控制檢測(cè)溶液的離子強(qiáng)度以及相對(duì)短的使用壽命等。

2.5 基于顏色變化的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

比色檢測(cè)和其他檢測(cè)方法相比的優(yōu)勢(shì)在于不需要任何的設(shè)備來(lái)讀取信號(hào)，因此特別適合快速檢測(cè)的應(yīng)用。目前報(bào)道最多的是利用金納米顆粒聚集后顏色發(fā)生變化來(lái)進(jìn)行檢測(cè)。由于SPR效應(yīng)，金納米顆粒在可見(jiàn)光范圍顯示出很強(qiáng)的吸收。常用于體外檢測(cè)的金納米顆粒粒徑一般約為13 nm，其吸收峰約在520 nm，導(dǎo)至其溶液顯示出亮紅色。但是，當(dāng)金納米顆粒之間的距離小于它們的粒徑時(shí)，它們的SPR場(chǎng)將發(fā)生耦合共振，使得溶液吸收峰向長(zhǎng)波方向紅移，導(dǎo)至溶液顏色發(fā)生從紅到藍(lán)的逐漸變化，且容易通過(guò)肉眼識(shí)別。目前已經(jīng)有很多利用金納米顆粒連接分析物導(dǎo)至其聚集，從而產(chǎn)生顏色變化，最終實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的比色檢測(cè)。

該比色檢測(cè)技術(shù)可采用1種或者2種探針的策略實(shí)現(xiàn)目標(biāo)物的檢測(cè)（圖7）。單探針策略中，金納米顆粒表面用1種可和目標(biāo)DNA互補(bǔ)的DNA探針修飾。當(dāng)目標(biāo)DNA存在時(shí)，由于金納米顆粒表面的探針可以和目標(biāo)DNA雜化，使得其可保持單分散性而不會(huì)聚集。而當(dāng)目標(biāo)DNA不存在時(shí)，由于溶液中鹽的濃度較高將導(dǎo)至金納米顆粒聚集，發(fā)生從紅到藍(lán)的顏色變化。雙探針策略中，2種金納米顆粒分別修飾不同的探針。當(dāng)目標(biāo)DNA存在時(shí)，2種金納米顆粒通過(guò)目標(biāo)DNA發(fā)生交聯(lián)最終發(fā)生聚集。而目標(biāo)DNA不存在時(shí)，2種金納米顆粒都可以以單分散的形式穩(wěn)定存在于溶液中。盡管基于金納米顆粒聚集反應(yīng)的比色檢測(cè)簡(jiǎn)單、快捷且不需要任何貴重的檢測(cè)設(shè)備，但是檢測(cè)過(guò)程沒(méi)有信號(hào)放大的步驟，導(dǎo)至其檢測(cè)靈敏度有限（nmol/L級(jí)別）。金納米顆粒與DNA 酶的偶聯(lián)可以提供信號(hào)的線性放大，從而提高核酸檢測(cè)的靈敏度。金納米顆粒在從聚集態(tài)變化到單分散狀態(tài)的過(guò)程中其吸收峰會(huì)發(fā)生藍(lán)移，使溶液的顏色由暗紫色變?yōu)榧t色。因此，基于多組分核酸酶修飾金納米顆粒的檢測(cè)可提供簡(jiǎn)單、快捷的比色檢測(cè)，適用于核酸的快速檢測(cè)。但是對(duì)于檢測(cè)一些濃度較低的目標(biāo)物時(shí)仍然需要增加額外的信號(hào)放大步驟。

2.6 基于熱信號(hào)的納米體外檢測(cè)應(yīng)用

可以產(chǎn)生熱的納米顆粒一般常見(jiàn)于腫瘤組織的熱療應(yīng)用中。最近已有研究開(kāi)始利用金屬納米顆粒的熱性能用于疾病的檢測(cè)上。目前已經(jīng)發(fā)現(xiàn)有很多類型的納米材料可以在光或者電的激發(fā)下產(chǎn)生熱，例如金納米棒和碳納米管等可在近紅外激光的照射下產(chǎn)生熱。被激發(fā)后，納米材料中的電子和局部的水分子發(fā)生相互作用，當(dāng)它們躍遷到基態(tài)時(shí)則發(fā)生振動(dòng)和散熱。最近，研究人員利用熱成像技術(shù)探索了金納米顆粒在側(cè)向?qū)游鰴z測(cè)中的應(yīng)用（圖8）。在該系統(tǒng)中，抗體標(biāo)記的金納米顆粒作為對(duì)比劑產(chǎn)生的熱信號(hào)可被熱檢測(cè)儀放大并檢測(cè)出來(lái)。該檢測(cè)儀可將激光波長(zhǎng)和金納米顆粒的等離子共振峰進(jìn)行匹配，并用近紅外探測(cè)器來(lái)檢測(cè)溫度的上升，最終實(shí)現(xiàn)金納米顆粒信號(hào)的定量檢測(cè)。目前，使用熱對(duì)比信號(hào)檢測(cè)可將側(cè)向?qū)游鰴z測(cè)靈敏度提高32倍。通過(guò)使用熱對(duì)比信號(hào)放大檢測(cè)儀，在側(cè)向?qū)游鰲l上檢測(cè)甲型流感、瘧疾和艱難梭菌與傳統(tǒng)可視化層析檢測(cè)相比，其靈敏度可提高8倍。盡管該技術(shù)還處于發(fā)展初期，研究結(jié)果表明該技術(shù)不僅可保持側(cè)向免疫層析檢測(cè)技術(shù)的簡(jiǎn)便性，還可提供更高的檢測(cè)靈敏度，有望應(yīng)用于更為復(fù)雜的分子檢測(cè)。此外，目前眾多光熱性能優(yōu)異的納米材料同樣為基于熱信號(hào)體外檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了更多選擇。

3 結(jié)論

納米材料近年來(lái)已被成功用于提高體外檢測(cè)的靈敏度，提供不同的讀出信號(hào)，并且可同時(shí)檢測(cè)多個(gè)目標(biāo)物并簡(jiǎn)化檢測(cè)過(guò)程?；诩{米材料的體外檢測(cè)可設(shè)計(jì)為顏色、熱、熒光、磁、電化學(xué)及拉曼信號(hào)顯示，有利于在檢測(cè)系統(tǒng)中提供多種功能選擇。顯然，納米體外診斷技術(shù)在諸多應(yīng)用領(lǐng)域已呈現(xiàn)極大潛力，特別是在快速檢測(cè)方面。但是，要實(shí)現(xiàn)納米體外診斷技術(shù)在體外診斷領(lǐng)域的臨床轉(zhuǎn)化，仍然還有不少壁壘需要克服。

1）納米材料在體外檢測(cè)應(yīng)用中涉及納米材料的設(shè)計(jì)、合成、表面修飾和生物偶聯(lián)等多個(gè)步驟，這些步驟對(duì)于確定納米探針的整體性能非常重要。由于納米材料表面化學(xué)的復(fù)雜性，因此發(fā)展更好的制備（特別是宏量制備）及修飾技術(shù)以獲得性能重復(fù)性優(yōu)異、表面涂層堅(jiān)固以及功能化和生物偶聯(lián)過(guò)程靈活的納米探針至關(guān)重要。

2）目前的納米體外診斷技術(shù)大多包括多個(gè)操作步驟，如樣本的提取、純化和檢測(cè)，而這些過(guò)程均需要專業(yè)熟練的人員完成。因此，通過(guò)開(kāi)發(fā)一體化的便攜式設(shè)備實(shí)現(xiàn)自動(dòng)檢測(cè)，減少人力勞動(dòng)，也是未來(lái)的發(fā)展方向。

3）目前很多納米檢測(cè)試劑盒還處于臨床前的階段，仍然需要從實(shí)際臨床的角度通過(guò)大量臨床樣本來(lái)驗(yàn)證全面評(píng)價(jià)這些技術(shù)的性能。在納米體外診斷技術(shù)的研發(fā)早期對(duì)其進(jìn)行臨床的評(píng)估有助于加速其臨床轉(zhuǎn)化，這樣病人樣本的多樣性特點(diǎn)可以在技術(shù)設(shè)計(jì)過(guò)程就被考慮在內(nèi)。

顯然，從事納米體外診斷技術(shù)的研究者應(yīng)該聚焦于解決以上這些問(wèn)題，這將有助于這些基于納米材料的體外診斷技術(shù)最終實(shí)現(xiàn)臨床轉(zhuǎn)化，服務(wù)于社會(huì)，造福于普通百姓。(生物谷世聯(lián)博研Bioexcellence）

小編推薦會(huì)議  2019先進(jìn)體外診斷行業(yè)峰會(huì)

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