高性能功能微球：聚集誘導發光在疾病診斷領域的應用

胡亞新 謝莉 劉勇 王志明

人體疾病往往伴隨著相應指標的異常，許多生物標志物猶如哨兵，在疾病早期便通過各項異常來警醒人們。然而，有許多危及生命的疾病在早期時很難檢測到，隨著時間的推移，逐漸惡化并對生命健康構成威脅。因此，與疾病相關的生物標志物的早期檢測和識別，對人類健康具有重要意義[1]。

量化目標生物標志物的傳統方法往往依賴于復雜的凈化過程、昂貴的設備和資源密集的分析方法（如CT、核磁共振、質譜等）[2]。如能尋找到簡潔、準確、具體的策略，將有助于有效量化目標生物標志物，從而為臨床診斷和生物醫學研究提供可靠的安全保障。酶免疫分析法（enzyme immunoassay， EIA）因操作簡單、成本低、通量高、指示直觀等優點，已成為臨床診斷、食品質量和環境監測中被廣泛認可的金標準方法[3]。然而，EIA也存在熱穩定性差、壽命短、酶載量有限等問題，進而抑制了其在精確診斷，特別是在低濃度生物標志物的條件下的應用[4]。因此，基于熒光材料的熒光免疫分析法（fluorescence immunoassay， FIA）以其優異的靈敏度和較高的準確性越來越受到關注，在多種生物分子的檢測中發揮了重要作用[5，6]。然而，傳統有機熒光分子在聚集狀態下會發生猝滅現象，從而限制了其應用場景[7]。作為一種新型熒光材料，聚集誘導發光（aggregationinduced emission， AIE）材料可以兼顧高靈敏度、長程檢測和高穩定性等特點，展現出痕量標志物檢測的獨特優勢，逐步成為熒光免疫技術的主導材料之一。

AIE功能微球

AIE功能微球通常采用聚合法、溶脹法來制備[9]，通過調節聚合工藝參數，可以調控微球粒徑大小、粒徑均一性、表面羧基密度。AIE材料在聚集狀態下能夠保持高發光效率，甚至相對亮度增強。高亮度的熒光微球非常適用于痕量生物標志物檢測。

常用的有機熒光微球的斯托克斯位移通常較小，吸收波長和發射波長之間的距離一般小于50納米。距離越小，意味著光譜重疊面積越大，信號干擾越強。而AIE熒光材料與納米微球復合的AIE功能微球的斯托克斯位移可超過100 納米，發射出的光子不會干擾激發能量。在生物檢測時，這一特性會有效降低背景干擾。同時，AIE功能微球光穩定性好，連續激發下的熒光衰減程度可以保持在5%以內。光穩定性主要是指材料抵抗光老化的性能，光穩定性越高，表示熒光隨時間衰減越少。熒光材料的光穩定性非常重要，是下游產品開發過程中批間差控制和產品效期的重要保障。

高靈敏AIE納米材料免疫傳感器

生物分子檢測是研究身體疾病的重要手段，在許多疾病中，生物分子出現失調和差異表達。這些生物分子不僅可以作為潛在的藥物靶點，還可作為生物標志物，為疾病的早期診斷和治療提供關鍵信息。

目前，生物分子檢測面臨多項挑戰：首先，生物樣品中含有多種干擾分子，增加了檢測的復雜性；其次，許多蛋白質可能以低濃度存在于生物樣品中，需要高靈敏度的檢測方法；再次，不同標志物的濃度差異可以高達許多數量級，對檢測方法的動態范圍提出很高要求；最后，標志物經歷變異等過程，會導致各種同分異構體的存在，使得檢測特定分子變得困難或復雜。

AIE免疫傳感器一直是AIE材料研究和關注的熱點方向。AIE材料具有聚集誘導發光性質，特別是具有大斯托斯位移、高亮度和耐光漂白性以及可調的分子設計能力。AIE材料包覆在微球內部，經過微球表面修飾和改性后，適合用于高靈敏免疫傳感領域。

目前，AIE功能微球已廣泛用于腫瘤、炎癥、食品安全和毒品檢測，具有檢出限低、準確度高、線性范圍寬、檢出時間快等優點。針對癌癥標志物的定量檢測問題，研究人員將AIE材料包覆到相對剛性的聚苯乙烯微球中，獲得尺寸從納米到微米可調的AIE熒光微球，通過偶聯抗體后，可作為腫瘤標志物檢測的信號基元。相較于膠體金和傳統的熒光標記材料，AIE信號穩定性更高。例如，與使用藻紅蛋白或商用綠色量子點納米粒作為熒光標記的熒光酶聯免疫吸附法（FLISA）相比，其檢測靈敏度分別提高了45倍和12倍[10]。

同時，在不需要復雜的信號處理和設備的情況下，AIE材料可替代傳統酶聯免疫吸附的顯色劑，從而提高檢測靈敏度、擴大檢測動態范圍。

AIE編碼液相芯片技術

生物系統是復雜的有機組合，幾乎所有的生物現象和反應都涉及多類生物分子，如蛋白質、核酸、糖及脂類等。這意味著，在分析復雜的生物過程（如增殖、免疫、代謝）時，任何僅基于單一因素得出的結論都是有限的。舉例來說，癌癥標志物CA125可以反映乳腺癌或卵巢癌發生的可能性，而標志物CA19-9與肺癌、結直腸癌、胰腺癌、胃癌有關。顯然，僅僅檢測單一的癌癥生物標志物并不足以準確診斷癌癥，因為大多數癌癥的特征是至少有兩種相關標志物水平的升高。在這些情況下，采用多指標生物檢測，比如編碼液相芯片技術，是一種有效的策略。液相芯片技術可以在同一樣本中同時檢測多個生物標志物，不僅可以節省檢測時間，還能減少人力和成本的投入。

目前，商業化液相生物芯片系統如Luminex平臺和BD公司的cytometric珠陣列等，均使用有機染料進行編碼。然而，傳統有機材料在聚集狀態下會出現熒光猝滅現象，這限制了它們的編碼容量和穩定性。相較于傳統有機材料，AIE材料在聚集過程中能實現熒光信號的原位增強。同時，具有大斯托克斯位移、強耐光漂白性、抗磁性等性質，是一種優異的多功能編碼微球材料。

AIE作為編碼元素材料和信號放大報告分子，可針對5種過敏原實現高靈敏、多項目的定性和定量檢測。研究人員利用多孔玻璃膜乳化將發射波長在可見光到近紅外范圍內的AIE材料加入聚苯乙烯-共馬來酸酐（PSMA）中，構建了AIE編碼庫。同時，制備出高熒光AIE納米粒子，作為一種新型的信號放大報告器[11]。AIE編碼微球和AIE納米粒子在不同的外部環境條件下都表現出良好的熒光穩定性。與藻紅蛋白和量子點納米粒子作為熒光信號報告的多重檢測相比，AIE納米粒子的熒光信號放大能力分別提高了5倍和3倍。此外，臨床驗證實驗也證明了AIE編碼微球液相懸浮陣列具有良好的患者血清樣本檢測性能，在高靈敏度多重生物檢測領域有巨大的研究價值和臨床應用潛力[12]。

基于AIE材料的生物檢測技術具備高靈敏度、長程檢測和高穩定性等優勢，能夠滿足當前生物標志物檢測平臺的需求。在標志物檢測信號放大技術領域，目前，AIE材料正處于迅速發展的時期，如何設計低成本、高容量的編碼微球（一次性檢測幾十個項目指標）、高信噪比納米放大器（能區分檢出限數量級差異的不同指標）和高自動化處理系統，以及如何適配市面上已運行的流水線設備，將是AIE微球傳感技術面對復雜的體外檢測環境應用的最大挑戰。

未來，AIE技術將和人工智能數據庫、光學成像檢測設備結合起來，進一步探索其在單分子診斷、基因序列測定中的應用價值，構建新型熒光材料與檢測靈敏度、線性范圍之間的構效關系。AIE材料蘊含的多種可開發的機制——涉及化學、免疫學和激光學相互作用機制，可實現抗磁、穩定、準確的多指標檢測，有助于拓展其在大健康數據建設等領域的應用，為未來實現一滴血檢測身體所有指標鋪平道路。

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[11]Wu W， Wang X， Shen M， et al. AIEgens barcodes combined with AIEgens nanobeads for high-sensitivity multiplexed detection. Theranostics， 2019， 9（24）： 7210.

[12]Wu W， Liu X， Li W. Progress and challenges in functional nanomaterial‐based suspension array technology for multiplexed biodetection. View， 2022， 3（1）： 20200140.

關鍵詞：聚集誘導發光 納米微球 生物標志物檢測 ■