综述：基于纳米材料的光学生物传感器用于SARS-CoV-2检测：大流行回顾

这篇综述系统回顾了纳米材料光学生物传感器在SARS-CoV-2检测中的前沿进展，重点探讨了侧向流动免疫分析（LFIA）、等离子体生物传感器（SPR/LSPR）、表面增强拉曼光谱（SERS）等技术的原理与应用。文章详细分析了各类传感器对病毒核酸（RNA）、抗体（IgM/IgG/IgA）和抗原（刺突蛋白S/核衣壳蛋白N）的检测性能，对比了金纳米颗粒（AuNPs）、量子点（QDs）等纳米探针的优劣，为未来大流行病的快速诊断提供了纳米技术解决方案。

　　

纳米材料光学传感器技术在大流行诊断中的突破

2 新型冠状病毒概述

SARS-CoV-2是引发COVID-19疫情的β冠状病毒属病毒，其基因组为29,891个核苷酸组成的单链RNA，病毒颗粒直径约100nm。病毒结构包含四种关键蛋白：刺突蛋白（S蛋白）通过与宿主细胞ACE2受体结合介导病毒入侵；核衣壳蛋白（N蛋白）包裹病毒RNA；膜蛋白（M蛋白）维持病毒形态；包膜蛋白（E蛋白）协助病毒释放遗传物质。值得注意的是，S蛋白中的受体结合域（RBD）是抗体中和作用的主要靶点。

2.1 致病机制与传播

病毒主要通过呼吸道飞沫传播，感染后潜伏期平均4天。病毒载量在症状出现前1-3天即可达到峰值，无症状感染者同样具有传染性。研究发现，83%的ACE2表达细胞位于肺泡II型细胞，这解释了病毒主要引发呼吸道症状的原因。

2.2 体液免疫应答

机体感染后产生特异性抗体：IgM在感染后1-7天出现，14天达峰；IgA在7-14天可检出；IgG在10-18天出现并可持续数月。中和抗体（NAbs）能直接阻断病毒入侵，是评估免疫保护的关键指标。

3 标准诊断方法

3.1 核酸检测技术

实时逆转录PCR（rRT-PCR）是WHO推荐的金标准，通过检测病毒特异性RNA序列（如ORF1ab、N基因等）实现诊断，灵敏度达93%。但该方法需要专业实验室，耗时约3小时。环介导等温扩增（RT-LAMP）技术将检测时间缩短至30分钟，更适合现场检测。

3.2 抗体抗原检测

酶联免疫吸附试验（ELISA）和化学发光免疫分析（CLIA）可检测血清抗体，灵敏度70-95%。侧向流动免疫分析（LFIA）采用金纳米颗粒（AuNPs）作为显色探针，15分钟内获得结果，但灵敏度较低（约69%）。

4 纳米材料光学特性

4.1 等离子体纳米材料

金/银纳米颗粒（Au/AgNPs）具有局域表面等离子体共振（LSPR）效应，其光学特性随粒径（20-100nm）和形状（球状/棒状/星状）可调。当纳米颗粒表面生物分子结合时，会引起LSPR峰位移，这一特性被广泛应用于生物传感。

4.2 荧光纳米材料

量子点（QDs）、上转换纳米颗粒（UCNPs）和碳点（CDs）等荧光材料具有高量子产率（30-57%）和抗光漂白特性。特别是上转换材料，可通过近红外激发减少生物样本自发荧光干扰。

6 侧向流动免疫分析技术

6.1 比色法LFIA

采用30-40nm AuNPs作为探针，通过S蛋白或N蛋白检测抗体。典型检测限（LOD）为1ng/mL，检测时间15分钟。多联检测试纸可同时检测IgM/IgG，灵敏度达88-96%。

6.2 荧光LFIA

使用稀土掺杂纳米颗粒（EuNPs）或量子点，灵敏度提高10-100倍。AIE荧光聚合物点（FPPs）的信噪比比传统染料高40倍，可实现pg/mL级检测。

7 等离子体生物传感器

7.1 表面等离子体共振（SPR）

基于Kretschmann棱镜结构，检测金属薄膜表面折射率变化。新型Ti-Au-PtSe₂-石墨烯多层结构使灵敏度达到201°/RIU，可检测1fM病毒颗粒。

7.2 局域SPR（LSPR）

利用纳米颗粒等离子体共振峰位移原理。三角形金纳米棱镜（AuTNPs）因尖端增强效应，对S蛋白RBD的检测限低至0.01ng/mL。

8 表面增强振动光谱

8.1 表面增强拉曼（SERS）

通过"热点"效应将拉曼信号增强10⁶-10¹¹倍。金纳米星（Au nanostars）与病毒结合后，特征峰位移可实现单病毒检测，检测限达0.35PFU/mL。

8.2 表面增强红外（SEIRA）

克服了水分子干扰，通过纳米天线增强红外信号。Au@SiO₂核壳结构对病毒特征峰的增强因子超过1000倍。

这项系统综述表明，纳米材料光学传感器在灵敏度、检测速度和便携性方面已超越传统方法。特别是LFIA和SERS技术，通过智能手机读数和微流控集成，正在推动COVID-19诊断向家庭化、智能化方向发展。未来需要加强纳米传感器与人工智能的结合，以应对不断变异的病毒挑战。