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当前病毒检测面临如 PCR 需实验室、LFA 仅定性等局限，研究人员开展纳米等离子体生物传感器研究。该传感器具无标记、高敏等特性，可用于病毒检测、药物评估及免疫分析，推动病毒研究与临床转化，助力应对全球健康挑战。
在病毒研究与防控的漫长征程中，精准快速的检测手段与高效的抗病毒策略始终是科学界和医学界不懈追求的目标。传统的病毒检测方法，如基于聚合酶链反应（PCR）的病毒核酸检测，虽具备高灵敏度和特异性，但依赖实验室基础设施，难以实现即时检测；而侧向流免疫分析（LFA）虽快速，却只能定性检测病毒抗原，无法满足临床对病毒定量分析及抗病毒疗效评估的需求。此外，在评估宿主免疫反应和疫苗诱导的保护效力时，传统实验室血清学检测耗时长且资源需求高，开发更高效、便捷的检测工具成为迫切需求。在此背景下，纳米等离子体生物传感器凭借其无标记检测、快速数据采集、简单仪器配置、稳健操作和高表面灵敏度等显著优势，成为病毒研究领域的新星，为解决上述难题带来了新希望。
为了探索纳米等离子体生物传感器在病毒研究中的潜力，韩国成均馆大学（Sungkyunkwan University）的研究人员开展了一系列研究，相关成果发表在《npj Biosensing》上。他们深入研究了该传感器的设计原理，并将其应用于病毒检测、抗病毒药物评估和免疫分析等多个关键领域，为病毒研究和防控提供了新的思路和方法。
研究人员主要采用了以下关键技术方法：一是利用纳米制造技术制备不同类型的金属纳米结构，如纳米孔、纳米盘、纳米尖峰等，这些结构可激发局部表面等离子体共振（LSPR）和异常光学传输（EOT）等现象，对传感器表面附近的局部折射率变化高度敏感；二是结合抗体、核酸适体等捕获探针，实现对病毒抗原或抗体的特异性识别；三是引入机器学习辅助数据分析，提升检测的准确性和灵敏度；四是构建病毒模拟脂质囊泡等模型，用于研究病毒与药物或宿主细胞的相互作用。此外，研究中涉及临床样本如血清、血浆等的检测，部分实验还使用了细胞培养的病毒样本。
病毒检测：从单一到多元的突破
研究人员通过功能化传感器表面的抗体探针，成功实现了对多种病毒的特异性检测。例如，利用抗体功能化的金纳米孔阵列，可选择性检测水疱性口炎病毒（VSV）、假型埃博拉病毒和痘苗病毒，检测浓度范围在106到109 PFU/mL，并能在含血清的细胞培养基中检测到低至106 PFU/mL 的病毒。在人类免疫缺陷病毒（HIV）检测中，无需样本预处理，抗体功能化的等离子体金纳米颗粒可直接从全血中检测到 HIV，培养的 HIV 亚型和临床患者样本的检测限分别约为 100 和 500 copies/mL。对于乙型肝炎病毒（HBV），采用纳米颗粒夹心法可将检测信号提升 50% 以上，检测限低至101 IU/mL，且与 PCR 检测相当。针对新冠病毒（SARS-CoV-2），多种传感器平台如金纳米颗粒、纳米孔 / 纳米盘阵列等，结合 DNA 适体、纳米抗体等探针，可检测其刺突蛋白受体结合域（RBD）等抗原，检测限低至 22 pM 甚至 0.8 pM，同时能区分不同病毒变体。此外，机器学习模型的应用进一步提高了检测的准确性，如在乙肝表面抗原（HBsAg）检测中，将检测限从 0.123 IU/mL 降至 0.019 IU/mL，诊断准确率提升至 > 99%。
抗病毒药物评估：实时追踪病毒 - 药物相互作用
纳米等离子体生物传感器为抗病毒药物的机制研究和疗效评估提供了实时监测的平台。以抗病毒肽（AH 肽）为例，通过金纳米盘、纳米孔等传感器平台，可实时追踪其与病毒模拟脂质囊泡的相互作用。在金纳米盘平台上，高浓度 AH 肽可导致囊泡破裂，形成平面脂质双层，引发明显的波长 shift；而低浓度时仅检测到肽的结合。结合石英晶体微天平 - 耗散（QCM-D）技术，可进一步解耦传感器表面附近的脂质和溶剂质量变化，深入分析作用动力学。对于抗菌脂质如甘油单月桂酸酯（GML）和月桂酸（LA），传感器揭示了它们不同的膜破坏机制，GML 导致膜出芽，LA 引发小管形成。此外，传感器还可用于检测表面活性剂和小分子抗病毒药物对病毒膜的作用，如十六烷基三甲基溴化铵（CTAB）和曲拉通 X-100（TX-100）在不同浓度下对脂质双层和囊泡的破坏作用，以及小分子药物对病毒 - 细胞相互作用的抑制效果。
免疫分析：精准评估免疫应答与疫苗效力
免疫分析是纳米等离子体生物传感器的新兴应用领域，通过功能化病毒抗原探针，可检测血液中循环的病毒特异性抗体。在新冠病毒抗体检测中，抗原功能化的金三角形纳米棱柱可实现对 IgG 抗体的超灵敏检测，动态范围跨越 11 个数量级（10?9到102 nM），检测限低至 30 aM，并能通过优化抗原探针组合提高检测特异性。金纳米孔阵列结合二次抗体和抗原功能化纳米颗粒放大信号，可在 15 分钟内快速定量血清中的中和抗体，检测限低至 0.2 pM。利用机器学习模型，如随机森林算法，可通过多抗原检测数据评估社区的新冠病毒感染和疫苗接种率，预测结果与流行病学数据高度吻合。此外，传感器还可用于兽用病毒抗体检测，如非洲猪瘟病毒（ASFV）抗体检测，灵敏度和特异性均达 96% 以上。
研究结论与讨论：开启病毒研究与防控的新范式
纳米等离子体生物传感器在病毒检测、抗病毒药物评估和免疫分析中展现出显著优势，其高表面灵敏度、无标记检测和多重检测能力，使其在临床转化和应对新兴病毒威胁方面具有巨大潜力。然而，目前该技术仍面临一些挑战，如传感器的稳健性和临床实用性有待提升，需开发成本效益高、可扩展的传感平台，并与便携式系统集成；临床转化方面，需遵循临床监管指南，开展大规模样本研究，与金标准技术对比，争取 FDA/CE 认证；研究范围需扩展至更多病毒类型，以优化捕获探针设计，提升对不同病毒的检测能力；抗病毒药物测试领域，需建立更全面的检测平台，评估更多类型的抗病毒药物。
展望未来，随着纳米制造技术、生物界面科学和机器学习的不断进步，纳米等离子体生物传感器有望实现更精准的病毒检测、更高效的药物筛选和更全面的免疫评估，为全球健康挑战提供强有力的工具。在未来的病毒爆发中，这类传感器可能实现无需样本预处理的即时检测，通过智能手机读取信号，指导患者及时采取隔离和治疗措施，同时为抗病毒药物和疫苗的研发提供实时数据支持，助力构建更完善的病毒防控体系。
