综述：面向即时诊断的等离激元生物传感器和执行器
2025-12-21 21:53:23 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该综述重点介绍了等离激元生物传感器和执行器的最新进展，这些器件旨在构建先进的集成分子诊断系统，实现单芯片上的样本制备与检测。
新冠病毒（SARS-CoV-2）、猴痘和禽流感等传染病的出现，对公众健康和全球经济构成了威胁，对低收入国家的影响尤为严重。为应对这些挑战，传染病研究和治疗开发在生物安全、预测性和预防性医学以及个性化医疗等方面都取得了一定进展。
在众多快速监测传染病的技术中，等离激元生物传感器因其在样本收集和识别方面具有极高的特异性和灵敏度，成为一种强大的工具。等离激元纳米结构或纳米等离激元光学天线（NOAS）通常由金属制成，具有独特的特性，能够在高度局域化的热点区域聚集光并与光耦合，使其表面电子产生振荡和共振。纳米结构中的这些热点会产生光热效应，有利于病原体、外泌体或细胞的局部光热裂解，并通过光子/等离激元聚合酶链式反应（PCR）或等温方法增强核酸扩增检测（NAAT）。NOAS还能通过增强其表面附近分子的振动和电子激发，利用分子指纹对分子进行定量检测。利用表面增强拉曼散射（SERS）、等离激元共振能量转移（PRET）、量子生物电子隧穿（QBET）、反向PRET或肉眼比色检测，无需标记即可识别分子指纹。
NOAS可以进行优化，以探索细胞环境并监测分子动态。纳米颗粒的尺寸、形状和成分可以设计为具有特定的局域表面等离激元共振（LSPR）波长。纳米颗粒的各种形状具有不同的光学特性，如纳米球、纳米棒、纳米壳、纳米笼、纳米新月和纳米星。具有尖锐边缘的结构，如纳米新月和磁性纳米新月，具有高电磁场增强因子和近红外（NIR）吸收能力，可作为SERS基底的替代品，并在生物医学成像中实现更深的穿透，同时减少光热损伤。具有近红外局域表面等离激元共振的各向异性纳米结构，如纳米棒、纳米壳和纳米笼，由于在生物组织中的光衰减减少，在光热治疗中特别有用。
等离激元检测平台为识别低浓度或单分子水平的生物成分提供了稳定的解决方案，使其成为早期诊断和患者监测的理想选择。深入理解纳米材料的物理化学性质对于设计实现超快速检测的分子诊断系统至关重要，尤其是在传染病诊断中，更快得到检测结果可以降低临床环境中的时间和成本。
据麦姆斯咨询介绍，韩国成均馆大学、美国哈佛大学哈佛医学院以及加州大学伯克利分校的联合研究团队近期在npj Biosensing期刊上发表了一篇题为“Plasmonic biosensors and actuators for integrated point-of-care diagnostics”的综述性文章。该综述重点介绍了等离激元生物传感器和执行器的最新进展，这些器件旨在构建先进的集成分子诊断系统，实现单芯片上的样本制备与检测。该综述研究了等离激元捕获原理、生物标志物的富集，以及用于提高生物样本光热裂解效率的等离激元纳米结构设计。此外，研究人员还探讨了这些纳米结构如何促进PCR中的超快速光热循环，以实现核酸扩增。最后，研究人员考察了无标记等离激元生物传感器及其在未来超灵敏分子诊断中的潜在应用，旨在为预防医学和精准医学中的早期诊断提供支持。
图1 完整的生物传感过程：从样本收集到诊断平台的数据分析。在分子诊断中，血液、唾液、鼻拭子或尿液等生物样本，可以作为疾病相关内源性基因和感染性微生物的生物标志物来源。纳米等离激元光学天线在许多生物传感应用中发挥作用，包括样本收集、富集与纯化、裂解、靶标扩增以及信号检测。
在本综述中，研究人员探讨了纳米等离激元光学天线在分子诊断领域作为生物传感器和执行器的研究进展。集成纳米等离激元生物传感器能够优化样品制备过程，同时通过等离激元捕获将损伤降至最低。此外，它们通过等离激元光热驱动实现无标记、实时的单一目标检测，用于样品富集和裂解。利用纳米等离激元的集成分子诊断系统最新进展显示出高灵敏度、快速响应时间和便携性，通过在NAAT中应用等离激元光热效应进行疾病检测，使其在资源有限的环境中特别有益。
图2 用于DNA、RNA、蛋白质、外泌体、病毒和病原体等生物样本选择性捕获和富集的等离激元光镊
利用等离激元生物传感器和样品制备平台的集成检测系统结合智能手机，可构建一种高效的分子诊断系统。该系统可将样品富集、裂解、扩增和检测过程整合到单个芯片上。这类系统是远程医疗和个性化健康监测的潜在有力工具。
图3 等离激元核酸扩增
此外，作为执行器和传感器的纳米等离激元光学天线不仅在先进的实时健康跟踪和监测方面显示出巨大潜力，在单细胞水平上阐明生命科学和量子生物学方面也具有重要前景。例如，纳米等离激元可用于阐明细胞内的量子过程，如线粒体中的电子转移，以及细菌之间以及细菌与宿主细胞之间的通讯，从而为量子生物学领域带来启发。
另一方面，由表面等离激元与发射器（无论是荧光探针标记的蛋白质还是叶绿素等生物分子发射器）之间强光物质相互作用产生的腔量子电动力学特性，有望成为一种很有前景的量子等离激元生物传感器平台，无需复杂的测量工具或低温环境。
图4 等离激元增强的光学检测方法
石墨烯衍生物等其它等离激元材料，也有望整合到生物传感器系统中。纳米等离激元光学天线用于高速高光谱成像系统，能够以单拷贝分辨率观察并分析活生物细胞内的生物分子相互作用。
图5 商用的等离激元检测平台
总结而言，尽管基于纳米等离激元的执行器可用于生物样本的选择性捕获和富集，基于纳米等离激元的传感器可用于蛋白质、RNA和DNA生物标志物的灵敏检测，有望彻底变革生物医学诊断，但要充分实现它们在临床应用中的潜力，还必须解决几个挑战，包括制造可扩展性、稳定性以及特异性。纳米等离激元领域未来的进展有望从研究转向实际医疗应用，进而推动创新诊断方法和个性化医疗的发展。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s44328-025-00050-1
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