自组装胶体纳米光子结构：生物标志物超灵敏、高通量检测的新兴工具
自组装胶体纳米光子结构：生物标志物超灵敏、高通量检测的新兴工具
为了克服现有疾病诊断技术的局限，开发简单、高效且低成本的即时生物检测工具。
快速、高通量检测生物标志物在疾病诊断、预后、监测和治疗中发挥着重要作用。传统的基因筛查、抗原检测和抗体识别等方法具有高灵敏度和高特异性，但这些方法需要多个标记步骤来放大分析物信号，操作繁琐且耗时。自组装胶体纳米结构具有独特的光学性质，能够灵敏地响应外部刺激，为开发下一代纳米光子生物传感器件奠定了基础。本文探讨了自组装胶体纳米光子传感器在检测生物标志物方面的潜力，以实现高灵敏、低成本、多通道检测核酸、蛋白质和外泌体等生物标志物。最后，总结了胶体纳米光子生物传感器目前面临的挑战，并展望了其在智能医疗中的应用前景。
图1 自组装胶体纳米光子结构在疾病诊断和预后方面的应用
生物标志物的水平能够客观反映生理过程、疾病类型以及治疗效果。高通量检测微量生物标志物对疾病的早期诊断、监测和治疗至关重要。胶体纳米光子生物传感器能够显著增强光与物质之间的相互作用，对外部刺激和局部环境变化高度敏感，并且可以提供多样的信号读出(例如，比色响应和增强的拉曼信号)，用于快速评估目标分析物，为开发下一代即时诊断工具提供了全新的思路。
核酸检测
核酸在遗传信息的存储、传递和表达中起着关键作用，其异常表达和突变与多种疾病密切相关。传统的PCR、下一代测序和DNA微阵列技术虽然灵敏度高，但需要复杂的核酸提取和扩增过程。自组装胶体结构能够在纳米尺度上调控光子行为，将电磁能局域在纳米颗粒之间的“热点”处。当靶核酸结合在这些“热点”区域，其拉曼信号被显著增强，能够实现单分子水平检测且无需样品预处理。胶体纳米结构还具有显著的近场增强效应，能够放大被分析物的散射光信号，实现比色定量检测核酸标志物。这些方法具有高灵敏度、低成本和易使用等优点，为开发下一代核酸即时检测工具开辟了新途径。
蛋白检测
血清、组织或唾液中的蛋白浓度反映了身体的健康状况，是许多疾病的诊断标志。免疫分析如ELISA是临床上最普遍的蛋白检测方法，然而灵敏度有限，难以检测低浓度的蛋白标志物。胶体自组装纳米光子结构具有高效增强荧光的特性，在开发即时诊断工具方面吸引了很多关注。首先，将特定的生物受体修饰在胶体光子晶体表面捕获靶蛋白；然后，用特定的检测探针识别靶蛋白，当光子晶体的反射波长与检测探针的激发波长匹配时，检测探针的荧光信号被显著增强，能够大幅提高检测灵敏度。这种胶体光子晶体生物传感器可以快速、超灵敏、高通量地筛选不同种类的蛋白质，适用于家庭健康监测。
外泌体分析
外泌体是直径为30-150 nm的细胞外囊泡，在免疫反应、肿瘤形成和转移等过程中起着重要作用。传统的超速离心和蛋白印迹法灵敏度低、操作繁琐且样品消耗大，限制了其在即时诊断中的应用。胶体自组装纳米光子结构表现出独特的光学共振特性，为外泌体检测提供了新途径。例如，基于表面等离子体共振的生物传感器可以实现在单个粒子水平上测量外泌体的大小、浓度和亲和力常数等。聚合物胶体纳米链光学芯片利用其共振增强特性实现了高灵敏、多通道比色定量检测外泌体。该方法简便、高效，通过改变表面修饰的抗体可适用于多种疾病外泌体的诊断，有望推动液体活检技术的发展。
总结与展望
精准医疗已经成为医疗保健领域的一个重要方向。自组装胶体纳米光子传感器得益于其纳米尺度光约束能力、显著的荧光增强效应以及独特的光子共振特性，在生物标志物检测方面展现出巨大的应用潜力。然而，为了实现临床转化应用，还需解决非特异性结合问题，并开发更简单高效的表面功能化方法以及规模制备自组装纳米结构的新方法。未来通过材料科学、化学、生物学和物理学等多学科的合作将进一步推动纳米光子生物传感器的发展，构建智能数字化医疗系统，提高生活质量。
本文内容来自The Innovation姊妹刊The Innovation Materials第2卷第3期以Perspective发表的“Colloidal self-assembly in biosensing strategies for biomarkers diagnosis” (投稿: 2024-01-02；接收: 2024-05-13；在线刊出: 2024-05-27)。
引用格式：Pan X., Zhang Z., and Su M. (2024). Colloidal self-assembly in biosensing strategies for biomarkers diagnosis. The Innovation materials 2(3), 100076.
作者简介
张泽英，中国科学院化学研究所博士后，主要研究方向为纳米光子学及纳米生物检测。近五年来，以第一及通讯作者在Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Matter, Anal. Chem., Sci. Bull.等期刊上发表论文10篇；申请中国发明专利5项；入选北京分子科学国家研究中心博士后项目，承担国家自然科学基金青年基金1项、中国博士后科学基金特别资助（站前）1项。
苏 萌，中国科学院化学研究所研究员，中国科学院青促会化材分会副会长，国家优秀青年科学基金获得者，基金委创新群体项目“基于表面能控制的材料设计与应用”核心成员，北京市科技新星，中国科学院青年创新促进会会员。面向先进微纳制造技术的重大需求，发展了一种液滴操控印刷制造多维度微纳结构的策略，研制纳米印刷原型机（Nano Printer）；发现了纳米结构在可见光区域的散射-衍射转变作用临界尺寸，建立了可用于新冠、流感病毒等快速、超灵敏检测的新型纳米光学成像方法。近五年在Chem. Rev., Nat. Commun., Adv. Mater., Angew. Chem. Int. Ed.等国际权威期刊发表学术论文90余篇，申请/授权发明专利34项。