ACS NANO: 利用量子點(diǎn)條碼芯片和低成本便攜光學(xué)檢測(cè)設(shè)備實(shí)現(xiàn)傳染病的快速多指標(biāo)篩查

全球化背景下，傳染病的快速爆發(fā)和傳播時(shí)刻威脅人類安全與健康，同時(shí)深刻而廣泛地影響社會(huì)經(jīng)濟(jì)。如何在有限條件下，對(duì)相似癥狀傳染病的病原體進(jìn)行快速鑒定，以便及時(shí)采取有效措施加以控制，正受到越來越多的重視。傳統(tǒng)的檢測(cè)方法基于PCR或側(cè)向流層析法，前者需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備和專業(yè)人員操作分析，后者則難以實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)快速篩查。而新的條碼檢測(cè)法可實(shí)現(xiàn)多指標(biāo)檢測(cè)，但仍需要昂貴的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。 本文介紹了一種利用量子點(diǎn)條碼芯片，以及智能手機(jī)的攝像頭和應(yīng)用軟件，制作出便攜性極佳的低成本檢測(cè)設(shè)備的方法。這套檢測(cè)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了在有限的條件下對(duì)多種相似癥狀傳染病的快速篩查（圖1）。研究人員首先利用了量子點(diǎn)本身高熒光效率、寬激發(fā)譜、窄發(fā)射譜、耐光漂白等優(yōu)良的熒光特性（圖2），降低了后期設(shè)備開發(fā)中的激發(fā)光源和采樣設(shè)備成本，同時(shí)大大提高了便攜性。通過組合不同的量子點(diǎn)，制成直徑3μm的聚苯乙烯-量子點(diǎn)條碼微球，每種條碼連接不同的捕獲探針。同時(shí)在微流控芯片的玻璃基質(zhì)上刻蝕出3μm的小坑，條碼微球便可均勻分散在芯片上而不聚集（圖1）。檢測(cè)實(shí)際樣本時(shí)，采用了低成本的重組酶聚合酶擴(kuò)增法（Recombinase Polymerase Amplification，RPA），獲得陽(yáng)性樣本的特征性DNA片段，一部分與條碼微球上的探針互補(bǔ)，另一部分與帶有第二熒光標(biāo)記的檢測(cè)探針互補(bǔ)。通過單一紫外光源激發(fā)（405nm）、通過一組簡(jiǎn)單的顯微鏡頭和430LP濾鏡直接由智能手機(jī)的成像系統(tǒng)記錄芯片上條碼微球的種類（顏色）、位置、數(shù)量，通過另一光源（655nm）激發(fā)檢測(cè)探針的第二熒光信號(hào)，通過軟件以陰性條碼微球上的第二熒光信號(hào)強(qiáng)度作為閾值，統(tǒng)計(jì)每種條碼微球的陽(yáng)性數(shù)量（第二熒光信號(hào)強(qiáng)于閾值），最終獲得樣本是否呈陽(yáng)性的結(jié)論（圖3）。該研究對(duì)多種疾病，包括艾滋�。℉IV）、乙肝（HBV）、丙肝（HCV）、三種甲型流感（H1N1、H3N2、H5N1）、以及乙型流感進(jìn)行了檢測(cè)，與流式細(xì)胞儀等檢測(cè)方法比較均有很好的一致性（圖4）。 該工作充分利用了量子點(diǎn)熒光材料的優(yōu)良熒光特性，簡(jiǎn)化了檢測(cè)設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了與復(fù)雜、高成本檢測(cè)設(shè)備相似的檢測(cè)效果，可在復(fù)雜和條件受限的條件下進(jìn)行快速篩查檢測(cè)。最后，研究者還進(jìn)一步設(shè)計(jì)了黑盒系統(tǒng)，更接近于最終產(chǎn)品的形式。以上成果對(duì)于傳染性疾病的快速預(yù)防和控制有積極意義，同時(shí)也對(duì)于目前越來越受到追捧的醫(yī)療健康產(chǎn)業(yè)與IT行業(yè)的整合發(fā)展所需求的下一代便攜、簡(jiǎn)單的檢測(cè)產(chǎn)品開發(fā)具有啟示作用。該文發(fā)表于美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)出版的NANO雜志上。 圖1，基于量子點(diǎn)條碼微球的微流控芯片和基于智能手機(jī)的光學(xué)檢測(cè)設(shè)備。 圖2，兩種傳統(tǒng)有機(jī)染料“Yellow”、“Nile Blue”和兩種量子點(diǎn)材料的熒光性能比較。（第一行為四種熒光材料的標(biāo)準(zhǔn)吸收光譜和發(fā)射光譜，第二行為制成的條碼微球的顯微照片，第三行為不同激發(fā)光源條件下發(fā)射光譜的變化，第四行為180秒內(nèi)耐光漂白性能。） 圖3，檢測(cè)7種疾病的標(biāo)準(zhǔn)樣品的檢測(cè)限和實(shí)際顯微照片（顯微照片展示的黃色條碼球?yàn)镠BV，綠色條碼球?yàn)镠CV，紅色條碼球?yàn)殛?yáng)性對(duì)照，檢測(cè)含有HCV DNA片段樣品，a圖使用405nm激發(fā)，430LP濾光片成像，獲得條碼微球的種類、位置、數(shù)量信息， b圖使用655nm激發(fā)，692/40濾光片成像，可知黃色條碼球呈陰性，綠色和紅色條碼球陽(yáng)性，符合預(yù)期） 圖4，對(duì)實(shí)際樣本采用RPA方法結(jié)合量子點(diǎn)條碼微球芯片和智能手機(jī)成像系統(tǒng)進(jìn)行多指標(biāo)篩查評(píng)價(jià)。