光子晶體芯片耦合便攜式熒光檢測儀

生物標(biāo)志物的含量與許多疾病密切相關(guān)，因此快速及時(shí)檢測樣本中的生物標(biāo)志物對于生物分析、早期鑒別診斷以及治療方案的精準(zhǔn)制定具有重要意義。目前快速抗原檢測（RAT）大多基于側(cè)向流動(dòng)免疫測定法，通常15 min后可以判斷是否是陽性結(jié)果，但其靈敏度有待提高。光子晶體（PC）由高、低折射率交替的周期性納米結(jié)構(gòu)組成，可以提高特定波長的反射率，可用于增強(qiáng)免疫分析中熒光探針的強(qiáng)度，從而提高檢測靈敏度。此外，傳統(tǒng)的熒光檢測儀器難以滿足現(xiàn)場便攜、簡單檢測的要求。

為解決以上問題，中國科學(xué)院化學(xué)研究所宋延林研究員/蘇萌研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種打印光子晶體芯片用于新冠病毒核衣殼蛋白（N蛋白）檢測，利用光子晶體帶隙增強(qiáng)作用放大探針分子的熒光信號，實(shí)現(xiàn)了低至0.03 pg/mL的N蛋白檢測。研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了便攜式熒光強(qiáng)度檢測儀器，將反應(yīng)完的檢測卡插入儀器后，5秒內(nèi)即可完成熒光強(qiáng)度測量并通過指示燈的顏色給出檢測結(jié)果（陰性綠燈亮，陽性紅燈亮）。



圖1 用于檢測新冠病毒N蛋白的PC芯片的制備及便攜式儀器檢測示意圖

首先，研究人員選擇了禁帶匹配Cy5熒光探針發(fā)射波長的光子晶體，實(shí)現(xiàn)了12倍熒光增益。然后，探究了PC微陣列高度對于檢測結(jié)果的影響，發(fā)現(xiàn)高度大于等于7 μm的PC微陣列具有良好的檢測效能。研究團(tuán)隊(duì)快速大量打印制備了PC微陣列芯片，檢測時(shí)將樣本與病毒裂解液和熒光探針溶液混合，然后將一滴（10 μL）混合液滴在檢測芯片上，10分鐘后即可實(shí)現(xiàn)特異性N蛋白檢測，該方法的檢測限達(dá)0.03 pg/mL，同時(shí)可以檢測Ct值從38（奧密克戎）到40（貝塔和德爾塔）的新冠滅活病毒樣品。

圖2 PC微陣列的大面積制備與表征

圖3 PC微陣列的生物學(xué)檢測性能與高度優(yōu)化

為了解決新冠即時(shí)檢測所需儀器便攜性、小型化的需求，研究團(tuán)隊(duì)還開發(fā)了一種便攜式熒光檢測儀器，當(dāng)便攜式儀器檢測到的熒光強(qiáng)度低于臨界值時(shí)，5秒后指示燈顯示綠色。反之，指示燈變?yōu)榧t色，表明樣品為陽性。在現(xiàn)場采樣后，大約經(jīng)過10分鐘的檢測流程即可判讀待檢樣品的陰性與陽性。

圖4 PC微陣列的特異性及便攜式儀器檢測N蛋白含量 視頻：利用便攜式儀器檢測陰性和陽性樣本

該研究為疾病診斷提供了一種通用、快速、便于居家使用的生物檢測方法，且易于制備、成本低廉，在重大疾病篩查、臨床診斷和家庭醫(yī)療監(jiān)測等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清