浮力分析物磁珠(BAM)检测技术：突破超灵敏快速诊断瓶颈的新方法

为解决COVID-19早期诊断灵敏度不足的问题，研究人员开发了浮力分析物磁珠(BAM)检测技术。该技术通过抗体功能化浮力微泡和磁性微球捕获SARS-CoV-2 N蛋白，实现单分子计数检测，检测限达37个分子/5μL唾液。该方法无需洗涤和显色步骤，仅需手电筒、数码相机和磁铁等简单设备，为现场快速超灵敏检测提供了新方案。

　　

在传染病防控中，早期诊断是阻断传播链的关键环节。然而，现有检测技术往往面临两难选择：高灵敏度的实验室方法（如qPCR）需要复杂设备和专业操作，难以在现场快速部署；而适用于现场检测的快速方法（如侧向层析试纸）往往灵敏度不足，无法在感染早期低病毒载量时实现可靠检测。世界卫生组织(WHO)提出的ASSURED标准（经济实惠、灵敏、特异、用户友好、快速/稳健、设备简单/电池供电、可交付）为理想诊断技术设立了标杆，但现有COVID-19检测方法均难以完全满足这些要求。

核酸检测(qPCR)虽然灵敏度高，但需要专业实验室和耗时数小时的操作；快速抗原检测虽然操作简便，但灵敏度有限，只能检测到10³-10⁵ cp/μL的病毒浓度，会漏检大量无症状感染者。更令人担忧的是，研究表明即使病毒浓度低至3×10² RNA copies/μL仍具有传染性，这使得灵敏度不足的检测方法在疫情防控中存在明显局限性。

针对这一技术瓶颈，Clemson大学的研究团队在《npj Biosensing》上发表了一项创新研究，开发了一种名为浮力分析物磁珠(Buoyant-Analyte-Magnetic, BAM)的超灵敏检测技术。该技术巧妙结合了浮力微泡和磁性微球的独特物理特性，实现了对SARS-CoV-2核衣壳蛋白(N蛋白)的超灵敏检测，检测限达到了前所未有的37个N蛋白分子/5μL唾液。

研究团队采用了几项关键技术方法：使用抗体功能化的~15μm充气二氧化硅浮力微泡和2.7μm抗体功能化聚苯乙烯磁性微球共同捕获目标分析物；利用磁力分离和浮力上升的物理原理实现无需洗涤的背景清除；通过普通闪光灯照明和数码相机记录浮升的BAM复合物并计数。研究使用了经IRB批准的临床唾液样本，包括PCR阳性和阴性样本进行方法验证。

模拟唾液研究

研究人员首先在模拟唾液中进行校准实验，结果显示BAM复合物数量与N蛋白浓度呈良好线性关系(R²=0.99)，捕获检测效率达到84%。分析检测限(LOD)为31个N蛋白，相当于5μL 10%模拟唾液中含有0.24 fg/mL的N蛋白。研究发现表面化学修饰对降低背景信号至关重要，未经生物素-聚乙二醇(biotin-PEG)功能化的表面会出现显著增高的背景信号。

加标PCR阴性患者唾液检测

在真实PCR阴性患者唾液中，BAM检测的非特异性背景为77±10 BAM复合物，明显高于模拟唾液，这可能是由于唾液中黏蛋白和其他分子的存在。将唾液稀释2倍、10倍和100倍后，背景分别降至36±3、29±2和19±4 BAM计数。在稀释至1%浓度的唾液样本中，捕获检测效率为78%，在50%浓度样本中效率达到91%。

阳性和阴性患者研究

研究人员对3例PCR阳性和8例PCR阴性患者唾液样本进行BAM检测。阳性样本平均BAM复合物数为411±151，而阴性样本仅为19±10，两组之间存在显著差异(p=5×10^-5)。所有阴性样本读数均低于49 BAM计数，所有阳性样本读数均高于208，实现了完全区分。

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连续稀释和定量分析

研究发现高浓度N蛋白会出现钩状效应(hook effect)，即过高分析物浓度反而导致检测信号降低。为解决BAM复合物重叠计数问题，研究人员将样本稀释至线性范围进行定量。将稀释后的PCR阳性样本进一步稀释100倍（总体稀释10⁸倍）后，BAM复合物数为21±7，与PCR阴性样本的背景水平(19±10)基本一致。

通过稀释至线性范围后，BAM浓度与根据Ct值计算的RNA浓度进行比较，线性回归斜率约为470 BAM复合物/RNA拷贝。BAM复合物与RNA之间的线性关系在很宽的浓度范围内（从<1 cp/μL到25000 cp/μL）都得以保持。

不同温度下的性能

为评估温度对检测性能的影响，研究人员在5°C、室温(18-20°C)和40°C条件下进行BAM检测。结果显示温度对捕获效率无显著影响，但40°C时的背景信号(29±14 in mL37模拟唾液和54±13 in真实唾液)明显高于室温(9±6 in模拟唾液；18±2 in真实唾液)和5°C(9±6 in模拟唾液；21±15 in真实唾液)。所有温度条件下，低病毒载量患者唾液样本均能清晰检出阳性。

研究结论表明，BAM检测技术实现了前所未有的灵敏度，检测限达到37个N蛋白分子/5μL唾液（约12 aM），这是目前报道的患者唾液中N蛋白检测的最低检测限。该技术的高灵敏度源于高捕获检测效率（78-91%）和低背景噪声。每个BAM复合物能强烈散射光线，无需复杂的检测设备即可实现高效检测。

BAM检测的独特优势在于其简单性：无需洗涤步骤、纳米孔加载或显色发展步骤，减少了分析物损失和操作复杂性。浮力微泡在上浮过程中能探索大体积溶液，提高了分析物捕获效率。相反方向的浮力和磁力能减弱非特异性结合，提高检测特异性。

从应用角度看，BAM检测满足WHO的ASSURED标准：设备简单廉价（可使用手机相机代替专业相机），每次测试成本约1.07美元，检测时间可缩短至3-15分钟。该方法为现场快速超灵敏检测提供了全新解决方案，不仅适用于COVID-19检测，还可扩展到其他传染病和生物标志物的检测领域。

这项研究的重要意义在于它成功打破了超灵敏检测与现场快速检测之间的传统权衡，为实现真正意义上的现场单分子检测提供了技术路径。随着进一步的技术优化和设备集成，BAM检测技术有望在传染病早期诊断、现场筛查和疫情防控中发挥重要作用，为全球公共卫生安全提供新的技术支撑。