用于病毒檢測的生物功能化半導(dǎo)體量子點(diǎn)
病毒是一種具有傳染性的病原體，病毒感染可引起嚴(yán)重的呼吸道、腸道、皮膚、器官、神經(jīng)系統(tǒng)和血液系統(tǒng)等疾病。構(gòu)建快速、準(zhǔn)確、便于使用和低成本的病毒檢測方法對(duì)于疫情的防控具有重要作用。納米生物傳感器通過納米材料與酶、抗原、抗體、DNA等分子物質(zhì)的特異性識(shí)別和相互作用，并將其轉(zhuǎn)導(dǎo)為光學(xué)和電化學(xué)信號(hào)，已被廣泛用于病毒檢測中。量子點(diǎn)作為常用的半導(dǎo)體納米晶體，具有優(yōu)異的光學(xué)性能。與有機(jī)熒光染料相比，量子點(diǎn)（Quantum Dot，QD）具有激發(fā)范圍寬、光致發(fā)光對(duì)稱、熒光壽命長、耐光漂白等優(yōu)點(diǎn)。近年來，量子點(diǎn)與多種分析技術(shù)（如熒光共振能量轉(zhuǎn)移、聚集誘導(dǎo)猝滅、磁分離、酶聯(lián)免疫吸附等）結(jié)合，許多新型分析方法被開發(fā)并廣泛應(yīng)用于病毒檢測。
近日，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院馬英新課題組綜述了基于量子點(diǎn)的病毒核酸、抗體和抗原檢測生物傳感器的最新進(jìn)展，并對(duì)量子點(diǎn)在病毒檢測中面臨的挑戰(zhàn)、新趨勢和方向做了展望。
圖1. 量子點(diǎn)應(yīng)用于病毒檢測的方法概述。
作者系統(tǒng)地總結(jié)了量子點(diǎn)的合成與生物功能化方法。量子點(diǎn)是典型的零維納米材料，包括II-VI、III-V或IV-VI納米材料。與傳統(tǒng)的熒光染料和熒光蛋白相比，量子點(diǎn)具有吸收光譜寬、發(fā)射光譜窄且可調(diào)、量子產(chǎn)率高、光穩(wěn)定性好、易于生物功能化等優(yōu)異的光學(xué)特性。量子點(diǎn)的合成方法包括金屬有機(jī)合成法和水合成。有機(jī)金合成量子點(diǎn)粒徑均勻，量子產(chǎn)率高，穩(wěn)定性好，但毒性大。水相合成方法簡單、綠色、易于表面功能化，可直接應(yīng)用于各種生物系統(tǒng)。量子點(diǎn)的生物功能化涉及利用蛋白質(zhì)、核酸或小生物分子修飾納米顆粒表面，在生物領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
此外，作者系統(tǒng)地概括了量子點(diǎn)在病毒檢測領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展。由于量子點(diǎn)具有高量子產(chǎn)率、抗光漂白、高信噪比等優(yōu)點(diǎn)，在病毒早期診斷和感染機(jī)制研究中展示出良好的應(yīng)用潛力，基于量子點(diǎn)的方法己被開發(fā)用于病毒核酸檢測和蛋白質(zhì)免疫分析。由核酸組成的遺傳物質(zhì)在病毒的復(fù)制、增殖、遺傳和進(jìn)化中起著重要作用，是診斷病毒感染的主要生物標(biāo)志物。核酸檢測的原理是基于具有高度特異性的核酸雜交，構(gòu)建多種DNA功能化量子點(diǎn)探針，用于病毒核酸檢測，靈敏度較高。免疫測定主要依靠抗體和抗原結(jié)合的特異性來實(shí)現(xiàn)對(duì)病毒感染的診斷。與核酸檢測相比，免疫檢測方法簡單方便，不需要昂貴的儀器，也不需要專業(yè)的實(shí)驗(yàn)人員，適用于病毒的快速篩查。免疫檢測法主要分為均相檢測法和異相檢測法。異相系統(tǒng)通過洗滌去除目標(biāo)物中的游離成分，具有高靈敏度、特異性好、應(yīng)用性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。均相體系沒有固相抗體包被過程，不需要洗滌和分離過程，適用于快速檢測，且可通過信號(hào)放大提高靈敏度。
最后，作者總結(jié)展望了目前量子點(diǎn)病毒檢測存在的主要挑戰(zhàn)及可能的解決方案：1、半導(dǎo)體量子點(diǎn)的潛在毒性會(huì)一定程度限制其在疾病診斷中的臨床應(yīng)用。因此，為了構(gòu)建安全、環(huán)保的生物傳感器，需要制備相對(duì)低毒甚至無毒的量子點(diǎn)。2、一些實(shí)驗(yàn)室量子點(diǎn)制備方法尚不成熟，難以大規(guī)模生產(chǎn)，因此需要發(fā)展并改進(jìn)制備大規(guī)模QD的方法。3、傳統(tǒng)的PCR或LAMP耗時(shí)，而CRISPR等新興技術(shù)的應(yīng)用成本較高，因此，對(duì)于病毒核酸檢測尚需進(jìn)一步研究。4、病毒核酸的提取步驟復(fù)雜，將無需核酸提取的方法與基于QD的病毒生物傳感器相結(jié)合，可顯著提高分子診斷的可操作性。5、對(duì)于免疫測定，ELISA法耗時(shí)長，LFIA法靈敏度低，但同時(shí)兼顧快速和靈敏度的方法很少。合成生物學(xué)傳感器具有快速、特異性和魯棒性等特性，將其與QDs結(jié)合作為報(bào)告基因，可進(jìn)一步提高檢測靈敏度。
該文章以題為“Biofunctionalized semiconductor quantum dots for virus detection”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。
文章信息：
Biofunctionalized semiconductor quantum dots for virus detection
Yingqi Liang, Guobin Mao, Junbiao Dai, Yingxin Ma
J. Semicond. 2023, 44(2): 023101 doi: 10.1088/1674-4926/44/2/023101
Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/44/2/023101
來源：半導(dǎo)體學(xué)報(bào)
