《TRAC-TRENDS IN ANALYTICAL CHEMISTRY》：One Health in Practice: Advancing Multiplexed Detection Through Fluorescent Encoding Systems
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荧光编码技术通过调控荧光发射波长、强度和寿命实现多目标检测，在One Health框架下具有重要应用价值。本文系统综述其原理、微球构建方法、容量提升策略及临床诊断、动物疾病防控、食品安全和环境监测等应用场景，提出化学调控精准性、规模化生产及非特异性吸附等问题亟待解决，并展望纳米化材料、AI辅助解码及自动化集成等发展方向。
刘凯尧|林乐平|安阳|王志刚|刘淑琳|鲍雷|庞代文|刘安安
国家药物化学生物学重点实验室，天津生物传感与分子识别重点实验室，分析科学研究中心，南开大学医学院化学系，天津，300071，中国
摘要
荧光编码技术通过调节不同的光学参数（如荧光发射波长、强度和寿命）来实现对复杂样本中多种分析物的同时检测。近年来，在提高其稳定性、编码能力和检测灵敏度方面取得了显著进展。这些发展凸显了该技术在“同一健康”（One Health）实践中的广泛应用潜力。为了进一步提升性能并促进实际应用，仍需在精确调控材料性质和实现可扩展生产方面克服挑战。本文系统阐述了荧光编码的基本原理、编码系统的设计与构建方法以及当前提高编码能力的策略，并讨论了其在“同一健康”框架下的实际应用。同时，指出了关键技术及转化应用中的瓶颈，提出了潜在解决方案，并展望了该技术的未来发展。通过结合基础理论与应用视角，本文旨在提供有价值的见解，从而推动荧光编码技术的持续进步与实际应用，为“同一健康”实践中的更高效、精准的综合健康监测做出贡献。
引言
“同一健康”（One Health）是一种前沿的跨学科全球范式，旨在协调、可持续地平衡和优化人类、动物、生态系统及其相关微生物的健康状况，强调这些领域之间的深刻联系与协同发展[1]、[2]。在这一综合框架下，世界面临一系列相互关联的全球健康问题，包括新发人畜共患病传播、由多重病原体共感染引起的复杂诊断难题、由多重污染物暴露引发的食物安全危机，以及威胁生态系统和人类健康的环境污染。所有这些挑战都共同需要一个核心技术：在人类、动物和环境样本中实现对多种目标的同时、快速且灵敏的检测。这是构建高效、全面健康监测系统的基石。
传统的检测方法仅限于单一分析物的检测，在存在并发或相互关联的健康威胁的情况下效率低下且不够适用。这些方法无法反映“同一健康”挑战的多面性，且需要较大的样本量、较长的检测时间和较高的检测成本，因此不适合大规模健康监测。因此，开发强大可靠的多重检测技术对于有效实施“同一健康”框架至关重要。
多重检测技术在满足这一核心需求方面具有显著优势。在单一生物标志物不足或存在复杂共感染的情况下，它能提高诊断准确性[3]、[4]。通过同时筛查多种常见病原体或与临床表现相关的生物标志物，大大提升了诊断效率[5]、[6]。此外，它对于大规模、广谱监测（如基于广泛病原体库的非靶向筛查）至关重要，这对于新发传染病的早期检测尤为关键。多重检测还能最大化从有限样本中获取的信息，降低总体成本并节省珍贵样本。
然而，多重检测的实际应用依赖于解决一个核心技术问题：如何并行且定量地识别多种不同的分析物。编码检测技术通过使用不同标记的微载体来实现这一点。与其他多重检测技术相比，编码检测具有独特优势。多重聚合酶链反应（PCR）[7]、[8]常存在交叉反应和扩增效率不一致的问题，且很少适用于即时检测（POCT）[9]、[10]、[11]。传统的微生物培养方法耗时、劳动密集且通量低[12]。相比之下，编码检测采用并行检测方式，可以在单次反应中分析多个参数，满足多重检测需求并简化操作流程。凭借强大的多重分析能力，编码技术成为“同一健康”框架所需的综合监测的强大工具。
已经开发了多种编码方法，包括光学编码、图形编码、空间编码和磁性编码。其中，基于波长的荧光编码得到了广泛研究，具有设计灵活、制备简单、易于可视化以及与流式细胞术和/或分光光度计等常见解码平台兼容性优异等优点[13]、[14]。
因此，荧光编码是最普遍且最有前景的策略，能够满足“同一健康”的核心技术需求。理论上，结合荧光强度和发射特性可以生成庞大的编码库[15]。通过整合其他参数（如载体大小和形状），可以进一步扩展其编码能力，极大推动编码极限的突破。尽管取得了这些进展，高容量荧光编码系统的实际应用仍面临挑战：背景荧光会减少可用编码空间，且很少有研究能将大型理论编码库成功转化为实际的大规模检测平台。实现高容量编码并保证可靠准确的解码需要持续的方法改进。此外，在复杂样本基质中的非特异性结合仍然是影响检测准确性、可靠性和实用性的关键问题。
本文首先介绍了荧光编码和解码的原理，随后详细阐述了荧光编码微球的构建过程，重点讨论了各种荧光材料、载体材料、合成方法及表面改性的优缺点。最后总结了提高编码能力的策略。作为“同一健康”范式中实现多重目标同时检测的关键工具，荧光编码技术广泛应用于人类医学诊断、动物疾病预防、食品安全和环境监测，为跨领域健康风险评估提供了有力支持（图1）。最后，本文讨论了未来发展方向，包括从微球向纳米球的转变、人工智能（AI）辅助解码，以及荧光编码与自动化系统和便携式POCT设备的整合。这些进步将极大提升“同一健康”倡议的现场监测和大规模筛查效率。荧光编码研究的进展也在复杂疾病诊断和治疗、药物开发及全球公共卫生管理中发挥着重要作用。
荧光编码
荧光编码的基本原理在于调节编码材料的特征光学信号，包括发射波长、荧光强度和荧光寿命（图2）。这些独特的光学信号由专业的荧光检测仪器检测并识别，对应于特定的编码标签，为后续的准确解码奠定了基础。因此，理想的荧光编码材料必须满足严格的标准
荧光编码微球的构建
基于第2节所述的编码和解码原理，荧光编码微球的构建起到了连接理论设计与实际检测应用的关键桥梁作用。虽然单一荧光材料具有简单性，但其一维特性限制了编码能力。相比之下，荧光编码微球实现了多维编码，有效突破了编码能力的限制
编码能力的提升
由于前一节已系统阐明了荧光编码微球的核心制备策略，下一个需要解决的问题是编码能力，这是决定多重检测通量的关键指标。实际编码能力的上限受到多种相关因素的限制，包括荧光信号的内在特性、所采用的合成方法以及分析设备的性能
荧光编码的应用
随着荧光编码的基础方面（包括其内在编码和解码原理、高性能材料构建及能力提升策略）的确立，该技术已在多种应用场景中实现了全面的实际转化。在“同一健康”框架的指导下，荧光编码技术已成功应用于人类、动物和环境的相互关联领域
应用中的挑战与前景
荧光编码技术在全球范围内受到了广泛研究关注，并在“同一健康”框架下的多种场景中展现了显著的应用潜力，涵盖临床精准医疗、公共卫生疫情监测、食品安全监测和环境风险评估等领域。然而，将这一先进的实验室技术大规模转化为常规临床和现场实践仍受到一系列限制
结论
本文总结了荧光编码系统在多重检测中的设计、开发与应用。尽管纳米科学的持续发展为该技术的发展提供了有力支持，但目前系统在充分利用荧光编码材料的光学特性以及实现足够编码能力以满足“同一健康”框架下的复杂诊断需求方面仍面临挑战。为此，相关研究仍在不断改进
作者贡献声明
刘凯尧：撰写 – 审稿与编辑，撰写 – 原稿。安阳：撰写 – 审稿与编辑。林乐平：撰写 – 审稿与编辑。刘安安：撰写 – 审稿与编辑，资金获取，概念构思。庞代文：撰写 – 审稿与编辑，监督。王志刚：撰写 – 审稿与编辑。鲍雷：撰写 – 审稿与编辑。刘淑琳：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明不存在可能影响本文工作的已知财务利益或个人关系。
感谢
本工作得到了国家重点研发计划（2024YFA1210003）、国家自然科学基金（22293032和22293030）、天津市科技计划项目（23JCZDJC00910和25JRRCRC00090）、中央高校基本科研业务费（63241605和63251168）的支持。
