光子晶体芯片耦合便携式荧光检测仪

生物标志物的含量与许多疾病密切相关，因此快速及时检测样本中的生物标志物对于生物分析、早期鉴别诊断以及治疗方案的精准制定具有重要意义。目前快速抗原检测（RAT）大多基于侧向流动免疫测定法，通常15 min后可以判断是否是阳性结果，但其灵敏度有待提高。光子晶体（PC）由高、低折射率交替的周期性纳米结构组成，可以提高特定波长的反射率，可用于增强免疫分析中荧光探针的强度，从而提高检测灵敏度。此外，传统的荧光检测仪器难以满足现场便携、简单检测的要求。

为解决以上问题，中国科学院化学研究所宋延林研究员/苏萌研究员团队开发了一种打印光子晶体芯片用于新冠病毒核衣壳蛋白（N蛋白）检测，利用光子晶体带隙增强作用放大探针分子的荧光信号，实现了低至0.03 pg/mL的N蛋白检测。研究团队还开发了便携式荧光强度检测仪器，将反应完的检测卡插入仪器后，5秒内即可完成荧光强度测量并通过指示灯的颜色给出检测结果（阴性绿灯亮，阳性红灯亮）。



图1 用于检测新冠病毒N蛋白的PC芯片的制备及便携式仪器检测示意图

首先，研究人员选择了禁带匹配Cy5荧光探针发射波长的光子晶体，实现了12倍荧光增益。然后，探究了PC微阵列高度对于检测结果的影响，发现高度大于等于7 μm的PC微阵列具有良好的检测效能。研究团队快速大量打印制备了PC微阵列芯片，检测时将样本与病毒裂解液和荧光探针溶液混合，然后将一滴（10 μL）混合液滴在检测芯片上，10分钟后即可实现特异性N蛋白检测，该方法的检测限达0.03 pg/mL，同时可以检测Ct值从38（奥密克戎）到40（贝塔和德尔塔）的新冠灭活病毒样品。

图2 PC微阵列的大面积制备与表征

图3 PC微阵列的生物学检测性能与高度优化

为了解决新冠即时检测所需仪器便携性、小型化的需求，研究团队还开发了一种便携式荧光检测仪器，当便携式仪器检测到的荧光强度低于临界值时，5秒后指示灯显示绿色。反之，指示灯变为红色，表明样品为阳性。在现场采样后，大约经过10分钟的检测流程即可判读待检样品的阴性与阳性。

图4 PC微阵列的特异性及便携式仪器检测N蛋白含量 视频：利用便携式仪器检测阴性和阳性样本

该研究为疾病诊断提供了一种通用、快速、便于居家使用的生物检测方法，且易于制备、成本低廉，在重大疾病筛查、临床诊断和家庭医疗监测等领域具有广阔的应用前景。

审核编辑：刘清