利用量子点条码芯片和低成本便携光学检测设备实现传染病的快速多指标筛查
全球化背景下，传染病的快速爆发和传播时刻威胁人类安全与健康，同时深刻而广泛地影响社会经济。如何在有限条件下，对相似症状传染病的病原体进行快速鉴定，以便及时采取有效措施加以控制，正受到越来越多的重视。传统的检测方法基于PCR或侧向流层析法，前者需要昂贵的实验设备和专业人员操作分析，后者则难以实现多指标快速筛查。而新的条码检测法可实现多指标检测，但仍需要昂贵的实验设备。
本文介绍了一种利用量子点条码芯片，以及智能手机的摄像头和应用软件，制作出便携性极佳的低成本检测设备的方法。这套检测系统实现了在有限的条件下对多种相似症状传染病的快速筛查（图1）。研究人员首先利用了量子点本身高荧光效率、宽激发谱、窄发射谱、耐光漂白等优良的荧光特性（图2），降低了后期设备开发中的激发光源和采样设备成本，同时大大提高了便携性。通过组合不同的量子点，制成直径3μm的聚苯乙烯-量子点条码微球，每种条码连接不同的捕获探针。同时在微流控芯片的玻璃基质上刻蚀出3μm的小坑，条码微球便可均匀分散在芯片上而不聚集（图1）。检测实际样本时，采用了低成本的重组酶聚合酶扩增法（Recombinase
Polymerase
Amplification，RPA），获得阳性样本的特征性DNA片段，一部分与条码微球上的探针互补，另一部分与带有第二荧光标记的检测探针互补。通过单一紫外光源激发（405nm）、通过一组简单的显微镜头和430LP滤镜直接由智能手机的成像系统记录芯片上条码微球的种类（颜色）、位置、数量，通过另一光源（655nm）激发检测探针的第二荧光信号，通过软件以阴性条码微球上的第二荧光信号强度作为阈值，统计每种条码微球的阳性数量（第二荧光信号强于阈值），最终获得样本是否呈阳性的结论（图3）。该研究对多种疾病，包括艾滋病（HIV）、乙肝（HBV）、丙肝（HCV）、三种甲型流感（H1N1、H3N2、H5N1）、以及乙型流感进行了检测，与流式细胞仪等检测方法比较均有很好的一致性（图4）。
该工作充分利用了量子点荧光材料的优良荧光特性，简化了检测设备，实现了与复杂、高成本检测设备相似的检测效果，可在复杂和条件受限的条件下进行快速筛查检测。最后，研究者还进一步设计了黑盒系统，更接近于最终产品的形式。以上成果对于传染性疾病的快速预防和控制有积极意义，同时也对于目前越来越受到追捧的医疗健康产业与IT行业的整合发展所需求的下一代便携、简单的检测产品开发具有启示作用。该文发表于美国化学学会出版的NANO杂志上。
图1，基于量子点条码微球的微流控芯片和基于智能手机的光学检测设备。
图2，两种传统有机染料“Yellow”、“Nile
Blue”和两种量子点材料的荧光性能比较。（第一行为四种荧光材料的标准吸收光谱和发射光谱，第二行为制成的条码微球的显微照片，第三行为不同激发光源条件下发射光谱的变化，第四行为180秒内耐光漂白性能。）
图3，检测7种疾病的标准样品的检测限和实际显微照片（显微照片展示的黄色条码球为HBV，绿色条码球为HCV，红色条码球为阳性对照，检测含有HCV
DNA片段样品，a图使用405nm激发，430LP滤光片成像，获得条码微球的种类、位置、数量信息，
b图使用655nm激发，692/40滤光片成像，可知黄色条码球呈阴性，绿色和红色条码球阳性，符合预期）
图4，对实际样本采用RPA方法结合量子点条码微球芯片和智能手机成像系统进行多指标筛查评价。
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