西北农林王建龙团队《ACS Nano》：全面回顾二十年间多维度增强的免疫层析在POC纳米传感领域的发展

Point-of-care（POC）检测是指在实验室外进行的体外分析，不受时间、地点或专业技术要求的限制，通常由手持设备或固定台式仪器完成，测试结果以患者易于理解的方式进行分析和呈现。作为符合世界卫生组织发布的ASSURED标准(可负担、敏感、特异、用户友好、快速和稳健、无需设备或简单、可直接交付给最终用户)的典型POC工具，免疫层析（lateral flow immunoassay, LFIA）在过去几十年中取得了显著进展。其中，对妊娠测试的持续需求以及大规模生产和广泛使用的快速COVID-19抗原检测凸显了LFIA在实际应用中的重要性。尽管LFIA的增长速度不断提高，预计市场规模将达到200亿美元，显示出有前景的前景，但成功的应用也揭示了现有的局限性。注意到生物样本中的基质效应会导致过度的背景噪声和潜在的浪费的捕获效率，这促使研究人员改进现场监测的准确性和实用性。此外，低灵敏度和模糊的响应限制了LFIA的更广泛应用，从而推动了对先进纳米材料的探索，这些材料与新兴的传感器相结合，以不断提高分析性能。在这种情况下，对多学科融合协作以解决当前LFIA固有挑战的进展进行全面而深入的回顾对于满足日益增长的实际需求并显著改善公共卫生安全至关重要。

Figure 1. (A) 2003年至2023年出版物的年度分布情况及累计出版情况。(B)出版物的地理分布情况。(C)出版物的主题类别网络图。(D)关键词的时间区视图。

通过Web of Science检索近二十年来发表LFIA的相关文献，并对文献总数和各国、关键词和学科类别的文献量进行了分析，得出以下观察结果：(1) 该领域吸引了大量关注，预计2023年后的文献发表量将继续增加(图1A)。(2) LFIA的全球性关注主要集中在人口和资源较多的国家，这凸显了LFIA对公共卫生的深远意义(图1B)。(3) 通过分析学科类别，发现化学学科中有超过2000篇文献：“食品科学与技术”(n=620)和“生物化学与分子生物学”(n=474)是主要学科类别，而“免疫学”(中心度为0.32)、“生物技术”(中心度为0.25)和“工程”(中心度为0.24)是几个中心度最高的顶级学科，这表明它们在该领域中扮演着至关重要的角色(图1C)。(4) 关键词的时间分布分析显示，自2007年首次使用“纳米材料”一词以来，这一领域的发展一直呈逐年上升趋势(见图1D)。通过深入研究“纳米材料”及其相关词汇，发现“多重编码”、“纳米组件”和“检测设备”是促进LFIA发展的重要因素。

Scheme 1. 多维度增强LFIA分析性能的示意图。

迄今为止，增强的分析性能主要集中在核心驱动的双重目标增强机制上，具体来说是通过先进的纳米材料驱动的捕获效率提升和目标识别过程中的信号转导增强。本综述旨在全面总结和批判性评价当前的LFIA设计方法和检测模式，以共同解决商业应用中面临的固有挑战，例如通过多重检测提高高通量分析能力、开发检测器以及整合人工智能（AI），以实现准确的定量分析并增强现场监测的实用性（Scheme 1）。强调了多种增强策略，包括通过磁富集/分离降低基质效应，通过使用各种纳米材料增加样品吸附能力，采用IgG替代物如鸡卵抗体，改变膜结构以最小化钩效应，以及引入DNA提高检测能力。重点强调了发展检测器、应用机器算法以及改进信号转换的先进纳米材料（Scheme 2），以追求在LFIA系统中实现快速、超灵敏的“样本到答案”选项。在同时简要概述了探索下一代基于LFIA的POC纳米传感器的合理设计的主要问题、现有挑战和未来可能性。

Scheme 2. 具备增强信号传导能力的先进纳米材料增强LFIA分析性能的示意图。

相关工作以“Evaluation of the Multidimensional Enhanced Lateral Flow Immunoassay in Point-of-Care Nanosensors”为题发表在ACS Nano上，西北农林科技大学食品科学与工程学院博士生刘思杰为第一作者，王建龙教授为通讯作者。研究受到国家重点研发计划政府间国际科技创新合作专项（2023YFE0103300），陕西省创新团队（2023-CX-TD-55）和青海省科学研究基础条件创新平台专项（2022-ZJ-Y18）的共同资助。

原文链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.4c06564