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纳米生物传感器在新型冠状病毒检测中的
应用
2019新型冠状病毒(2019novelcoronavirus,
2019-nCoV)是一种在世界范围内快速传播,具有极强传染
性的新型冠状病毒[1]。因而,快速而准确地早期诊断新
型冠状病毒肺炎(COVID-19)尤其重要。实时荧光逆转录-
聚合酶链反应(reversetranscriptionquantitative
polymerasechainreaction,RT-qPCR)是检测2019-nCoVRNA
的“金标准”和确诊2019-nCoV感染的重要病原学证据[2],
但该平台具有检测时间长、便携性差等缺点[3]。纳米生
物传感器是一种将纳米材料与生物传感技术相结合的新型
生物检测平台。近些年,石墨烯、碳纳米管(carbonnanotube,
CNT)等纳米材料由于其独特性质,如比表面积高、微尺寸
效应和宏观量子隧道效应等[4],被广泛用于构建高性能
纳米生物传感器。目前,纳米生物传感器已被广泛应用于核
酸[4]、蛋白质[5]、葡萄糖[6]、细菌[7]、病毒[8]
等的高灵敏检测。本文概述了纳米生物传感器的工作原理及
分类,着重综述了近一年来所报道的各种纳米生物传感器在
检测2019-nCoV中的应用。
一、纳米生物传感器的工作原理及分类
纳米生物传感器是一种基于纳米技术和生物传感技术,
对检测体系中待测物质的浓度或活性进行检测的电子装置。
纳米材料的尺寸既非典型的微观系统亦非典型的宏观系统,
因而纳米材料呈现出常规材料不具备的优越性能[4]。纳
米生物传感器将纳米材料作为一种新型生物传感介质,与传
统生物传感器相比,体积更小、分析速度更快。纳米生物传
感器通常由3部分构成,即感受器、换能器和检测器[9]。
感受器的主要功能是对靶标物质进行特异性捕获,如抗体对
抗原的特异性捕获,受体对配体分子的特异性捕获等。换能
器(如各种电极、光敏管、场效应晶体管等),主要负责将
感受器捕获到的特异性生物识别信息转化为易于检测的物
理化学信号,如光信号、电信号等。纳米生物传感器换能器
的设计中往往会引入纳米材料以提高传感器的检测性能,如
石墨烯和CNT具有良好的导电性和较大比表面积等特点,因
而往往被用来修饰各种电极,以制备性能优越的电化学生物
传感器、场效应晶体管(fieldeffecttransistor,FET)
生物传感器等。检测器,即负责检测并记录各种物理化学信
号的传感元件。当检测体系中存在靶标物质时,感受器首先
对其进行特异性捕获,随后换能器将这种特异性结合信息进
行信号转换(如抗体功能化的FET生物传感器将抗原-抗体
特异性结合信息转化石墨烯表面电荷密度的改变,即电信
号),最后由检测器对换能器获得的特异性物理化学信号进
行监测、记录。因为具有了亚微米尺寸级别的换能器、探针
(感受器)或者纳米微系统,纳米生物传感器的各项性能大
幅提升,但纳米生物传感器目前仍处于基础研究阶段,仍有
大量的工作需要推进。纳米生物传感器按换能方式的不同可
分为电化学纳米生物传感器、光学纳米生物传感器、热敏纳
米生物传感器等;也可以按检测对象的不同分为葡萄糖纳米
生物传感器、核酸纳米生物传感器、蛋白质纳米生物传感器
等
二、纳米生物传感器在检测2019-nCoV中的应用
2019-nCoV核酸检测和长期监测是评估患者感染阶段以
及预测其传染性和预后的重要手段[10]。国家卫生健康委
员会发布的《新型冠状病毒肺炎诊疗方案(试行第八版)》
中也明确指出COVID-19确诊病例需有病原学证据阳性结果
RT-qPCR检测新型冠状病毒核酸阳性;或病毒基因测序与已
知的新型冠状病毒高度同源[11]。因而,RT-qPCR是目前
临床上检测2019-nCoV核酸最常用的生物技术,该方法具有
特异性好、灵敏度高等优点。然而,该方法不仅检测步骤繁
琐,需要高度专业化的实验室,还具有检测周期长等缺点
[12]。因此,RT-qPCR在即时检测及基层医院的应用方面
存在诸多限制,仍然不能完全满足临床需求。相比RT-qPCR,
纳米生物传感器则可用于免扩增、简单快速的2019-nCoV检
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