打开文本图片集

[资助项目] 广东海洋大学大学生创新创业训练计划项目（CXXL2021290）；广东海洋大学大学生创新创业团队项目（CCTD201830）；广东省科技创新战略专项资金-“攀登计划”专项资金（pdjh2023b0251）；广东省基础与应用基础研究基金自然科学基金项目（2023A1515011157）。

[第一作者]黄永军，本科生，主要从事纳米技术在生物传感器的应用的研究工作

[通信作者]李宇彬，博士，副教授，主要从事基于DNA纳米技术的生物传感器研究工作

摘要：由严重急性呼吸综合征冠状病毒2型（SARS-CoV-2）引起的新型冠状病毒肺炎（COVID-19）大流行在全球范围内迅速蔓延，迫切需要对其进行诊断和治疗。基于纳米技术的生物传感器因其灵敏度高、特异性好，可为COVID-19提供快速、经济、精确和准确的即时诊断。本文重点介绍了基于纳米技术的电化学、光学、和磁性生物传感器的构建及其在SARS-CoV-2检测中的应用情况，为新型冠状病毒肺炎的诊断提供参考。

关键词：纳米粒子；生物传感器；COVID-19；

1.前言

由SARS-CoV-2引起的COVID-19是一种β冠状病毒，现已被认为是最致命、传染性最高的疾病之一[1]。感染者分为有症状感染者和无症状感染者，这两者都具有极强的传染能力，能将病毒传播给非感染者，给疫情的防控带来极大的困扰[2]。因此，研发有效、合适和多功能的快速诊断方法对于管理COVID-19以及控制疫情至关重要。

目前，用于诊断COVID-19的常规方法包括逆转录聚合酶链式反应（RT-PCR）、计算机断层扫描（CT）成像等。但这些传统的诊断技术存在检测步骤繁琐、检测时间长、需要专业的技术操作员、昂贵的仪器和复杂的实验室设施等缺点，不适用现场的快速诊断[3]。与传统方法相比，纳米生物传感器在灵敏度、响应时间、可靠性和便携性方面更具优势，能更快速、准确地识别病毒和确认疾病类型[4]。

本综述重点介绍了用于检测SARS-CoV-2病毒的各种基于纳米材料的生物传感器的设计、应用和性能，分别介绍了利用电化学、光学和磁性纳米生物传感器在检测SARS-CoV-2病毒中的重要作用，为开发更快速、灵敏的现场诊断COVID-19的方法和设备提供参考。

2.检测COVID-19的纳米生物传感器

2.1电化学纳米生物传感器

电化学纳米生物传感器因具有优异的灵敏度、成本效益、便携性等优点，被用作检测病毒病原体的强大工具，可用于检测不同的SARS-CoV-2目标物。

Cajigas等[5]设计了一种用于特异性检测SARS-CoV-2和识别同源呼吸道病毒的电化学生物传感器。该传感器通过将硫醇化的捕获探针组装在马来酰亚胺修饰的纳米磁珠（MMB）上，然后让捕获探针和生物素化信号探针进行特异性靶标杂交形成夹心结构组合在一起，通过生物素化信号探针和链霉亲和素-辣根过氧化物酶的酶复合物相互作用，基于计时电流法产生电化学响应实现SARS-CoV-2的检测，得到检测的灵敏度和检出限分别为174.4μAfM-1和807fM。这个诊断工具不仅易于使用、快速可靠、灵敏，而且具备检测感染患者和无症状个体遗传物质的潜力。

Zamzami等[6]设计了一种由碳纳米管和场效应管（CNT-FET）组成的电化学纳米生物传感器，可用于检测患者唾液中的SARS-CoV-2刺突蛋白。该传感器通过在CNT电极片上用1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯（PBASE）进行修饰，再通过PBASE以非共价相互作用将SARS-CoV-2刺突蛋白特异性抗体固定在CNT表面的SD通道区域，基于抗原-抗体相互作用过程中的电子转移产生的电位变化和电响应影响成功检测到SARS-CoV-2刺突蛋白，具有快速灵敏、高选择性、操作简便等优势，浓度检测范围为0.1fg/mL至5.0pg/mL，检测限为4.12fg/mL。

2.2光学纳米生物传感器

与传统技术相比，光学生物传感器具有高灵敏度、出色的检测限、简单的读数方式、通过视觉判断进行快速诊断、成本低等优点，可被用于实时诊断SARS-CoV-2。

Diao等[7]设计了一种基于双抗体夹心荧光免疫色谱（FIC）分析技术用于快速、灵敏和简便地定性检测人鼻咽拭子样本中的SARS-CoV-2核衣壳蛋白的光学纳米生物传感器。该传感器在不用任何昂贵设备的情况下便可于10分钟内检测出SARS-CoV-2核衣壳蛋白的荧光信号，并可通过免疫荧光分析仪读取荧光结果用于进一步分析，具有操作简便、检测速度快等优势，适用于实验室的快速检测。

Adrover等[8]设计了一种基于信号放大机制、分配抗体修饰的金纳米颗粒的聚合物填充储存器和自主定制的用于颜色量化的应用程序相结合的用于检测COVID-19患者血液和呼吸道样本中的白细胞介素6（IL-6）的可产生强烈比色信号并能与智能手机通信的纸质免疫光学生物传感器。研究结果显示，该传感器在PBS中能在10-3至102pg/ml的范围内进行半定量检测，并在10分钟内完成测定，检出限为10-3pg/ml，具有操作简单、成本低、快速响应等优势。

2.3磁性纳米生物传感器

与电化学或光学纳米生物传感器相比，磁性纳米生物传感器基于自身的特性，产生的的背景噪声更少，因此在大部分生物环境下能够实现准确有效的检测过程。基于纳米磁珠（MMB）的生物传感器具有检测快速、稳定性好和灵敏度高等优势，可为检测SARS-CoV-2提供一种高效灵敏、操作简便的免疫学诊断方法。

Fabiani等[9]设计了一种基于碳黑的丝网印刷电极（SPE）、磁性纳米珠和PALMSENS便携式恒组成的用于检测患者唾液中的SARS-CoV-2的磁性纳米生物传感器（如图2）。该传感器以SARS-CoV-2的核衣壳蛋白（N）或刺突蛋白（S）作为靶标，用固定在免疫磁珠上的核衣壳蛋白（N）或刺突蛋白（S）抗体来捕获靶标，通过碱性磷酸酶修饰的二级抗体来检测结合情况，最后通过PALMSENS便携式恒读出结果。结果显示，该传感器可在30分钟内检测到未进行处理的唾液样本中的核衣壳蛋白（N）或刺突蛋白（S），检出限分别为19ng/mL和8ng/mL。此外，通过与实时定量PCR检测同一样本的数据进行对比，实验数据表明，该传感器灵敏度高，检出限低，检测快速和操作简便，具有快速商业化的前景。

3.总结与展望

本综述重点介绍了用于检测SARS-CoV-2的电化学、光学和磁性纳米生物传感器，这些生物传感器具有高检测能力、稳定性、简单的设计、可靠性等特点，可以检测SARS-CoV-2不同的生物标志物和指标。通过采用纳米材料，如磁性纳米离子、金纳米粒子和石墨烯纳米粒子等，可显著提升生物传感器检测SARS-CoV-2病毒的性能，能够定性和定量地增加每日的测试数量，帮助快速检测SARS-CoV-2和COVID-19诊断。但面对存在类似污染物或分析物的情况下，能够以高特异性检测非常低浓度的SARS-CoV-2病毒的纳米生物传感器仍具有一定挑战性。

参考文献：

1. Wiersinga WJ， Rhodes A， Cheng AC， Peacock SJ， Prescott HC. Pathophysiology， Transmission， Diagnosis， and Treatment of Coronavirus Disease 2019 （COVID-19）： A Review. JAMA 2020; 324（8）：782-793.

2. Tang Y-W， Schmitz Jonathan E， Persing David H， Stratton Charles W， McAdam Alexander J. Laboratory Diagnosis of COVID-19： Current Issues and Challenges. Journal of Clinical Microbiology 2020; 58（6）：e00512-00520.

3. Udugama B， Kadhiresan P， Kozlowski HN， Malekjahani A， Osborne M， Li VYC， et al. Diagnosing COVID-19： The Disease and Tools for Detection. ACS Nano 2020; 14（4）：3822-3835.

4. Ravina， Dalal A， Mohan H， Prasad M， Pundir CS. Detection methods for influenza A H1N1 virus with special reference to biosensors： a review. Bioscience Reports 2020; 40（2）.

5. Cajigas S， Alzate D， Fernández M， Muskus C， Orozco J. Electrochemical genosensor for the specific detection of SARS-CoV-2. Talanta 2022; 245：123482.

6. Zamzami MA， Rabbani G， Ahmad A， Basalah AA， Al-Sabban WH， Nate Ahn S， et al. Carbon nanotube field-effect transistor （CNT-FET）-based biosensor for rapid detection of SARS-CoV-2 （COVID-19） surface spike protein S1. Bioelectrochemistry 2022; 143：107982.

7. Diao B， Wen K， Zhang J， Chen J， Han C， Chen Y， et al. Accuracy of a nucleocapsid protein antigen rapid test in the diagnosis of SARS-CoV-2 infection. Clinical Microbiology and Infection 2021; 27（2）：289.e281-289.e284.

8. Adrover-Jaume C， Alba-Patiño A， Clemente A， Santopolo G， Vaquer A， Russell SM， et al. Paper biosensors for detecting elevated IL-6 levels in blood and respiratory samples from COVID-19 patients. Sensors and Actuators B： Chemical 2021; 330：129333.

9. Fabiani L， Saroglia M， Galatà G， De Santis R， Fillo S， Luca V， et al. Magnetic beads combined with carbon black-based screen-printed electrodes for COVID-19： A reliable and miniaturized electrochemical immunosensor for SARS-CoV-2 detection in saliva. Biosensors and Bioelectronics 2021; 171：112686.