综述：利用生物分子功能化的上转换纳米材料推进即时诊断技术的发展

《Coordination Chemistry Reviews》：Advancing Point-of-Care Diagnostics with Biomolecule-Functionalized Upconverting Nanomaterials

UCNPs表面修饰生物分子技术为POC诊断提供高灵敏多联检方案，涵盖纳米探针开发、微流控集成及智能手机联用系统，并探讨稳定性与规模化生产挑战。

　　

Jitender Kumar|Renrui Sun|Wen Gao|Lining Sun

上海大学理学院化学系，中国上海200444

摘要

利用纳米材料进行即时诊断（POC）是现代医疗保健领域的一个新兴趋势，它能够实现快速、现场检测疾病，并具有高灵敏度和特异性，同时减少了对中心化实验室的依赖。掺镧的上转换纳米粒子（UCNPs）由于其独特的近红外激发发光、出色的光稳定性、极低的自发荧光以及深层组织穿透能力，作为先进的光学纳米探针在生物分析应用中受到了广泛关注。然而，要充分发挥其在POC诊断中的潜力，需要对其进行精确的表面功能化处理，结合核酸、蛋白质、适配体和小分子配体等生物分子，以提高生物识别能力、稳定性和信号转导效率。本综述全面分析了用于POC应用的生物分子功能化UCNPs的最新进展。文章重点介绍了这些纳米粒子在尖端生物传感平台中的应用，包括基于F?rster共振能量转移的免疫测定、无需核酸扩增的CRISPR相关UCNP生物传感器，以及用于快速筛查的侧向流动分析（LFAs）。此外，还讨论了微流控技术和智能手机集成UCNPs诊断的进展，强调了其在实时和多重检测方面的潜力。最后，文章指出了灵敏度、稳定性和可扩展性等挑战，并提出了推进基于UCNPs的POC诊断的未来发展方向。本综述强调了功能化UCNPs在POC生物传感中的变革性作用及其临床转化潜力。

引言

传统的诊断技术通常需要较长的处理时间，结果往往需要几小时甚至几天才能获得。这些方法通常涉及对生物样本中的多种生物标志物和生化参数进行定量分析，而这些分析是在配备复杂仪器的中心化实验室中完成的。依赖此类实验室检测可能会导致临床决策的延迟，从而可能影响患者的治疗效果，特别是在重症监护和紧急情况下[1]、[2]、[3]、[4]、[5]。近年来，诊断技术的进步使得分析仪器小型化成为可能，促进了敏感且可靠的即时诊断（POC）系统的开发。POC诊断是指在患者护理现场或附近进行的医学检测，可以快速获得实时结果，而无需依赖中心化实验室设施。POC诊断在医院急诊室尤为重要，因为及时诊断对于有效治疗至关重要；同时，在资源有限的环境中，这种技术也具有重要意义，因为这些地方往往无法使用传统的实验室设施。通过允许在患者所在地实时检测和监测疾病，POC技术提高了医疗服务的可及性，改善了患者管理，并有助于更有效的疾病控制策略[6]、[7]、[8]、[9]。为了使基于POC的生物评估有效，这些技术必须具备高灵敏度和特异性，并提供与标准实验室方法相当的结果准确性。实现这些性能需要整合先进的分析技术、精确的生物传感机制和优化的检测设计，以确保结果的稳健性和可重复性。

纳米技术的出现进一步推动了POC诊断的发展，使得设计出高度特异性和敏感性的检测平台成为可能。迄今为止，已经研究了多种纳米材料用于诊断，如Fe₃O₄、AgNPs、AuNPs、金属有机框架（MOFs）、二氧化硅纳米粒子、上转换纳米粒子（UCNPs）和下转换纳米粒子等[10]、[11]、[12]、[13]。在各种纳米材料中，UCNPs因其独特性能而成为有前景的候选者。这类掺镧（Ln）的纳米粒子能够通过一种称为上转换发光（UCL）的非线性光学过程，将低能量的近红外（NIR）光转换为高能量的紫外（UV）/可见光[14]、[15]、[16]。与传统荧光剂和量子点不同，UCNPs不会发生光漂白、具有较低的自发荧光，并且由于NIR激发而具有深层组织穿透能力，从而在生物样本中实现了更高的信噪比。另一个关键优势是它们的可调发射特性，可以在单次检测中同时检测多种分析物[17]、[18]、[19]、[20]。与通常需要在紫外范围（300 – 400 nm）激发且容易发生光漂白、自发荧光干扰和光毒性的传统荧光探针（如量子点（QDs）和碳点相比，UCNPs在高性能传感方面具有显著优势。此外，当适当进行表面修饰时，UCNPs还具有出色的光稳定性、长的发光寿命（通常为微秒级）和低细胞毒性，非常适合体内传感。最近的研究强调了基于UCNPs的生物分子检测方面的快速进展，包括合成、表面功能化和在蛋白质、核酸和代谢物传感中的应用改进。此外，最近的研究正在拓展多功能UCNPs对比剂的应用范围，表明该领域仍在快速发展[21]、[22]。最近，Lv等人报道了一种MnO?涂层的UCNP平台，可以实现比色和荧光检测葡萄糖；还开发了一种便携式检测设备，展示了核壳结构UCNP在POC流体生物标志物监测中的潜力[23]。这些特性不仅提高了检测灵敏度和特异性，还允许在生物系统中进行长时间和重复的成像或监测[24]、[25]、[26]、[27]。

UCNPs的表面可以很容易地与生物分子进行功能化处理，使其在诊断和靶向治疗中具有多种用途。已经开发了几种技术来实现有效的生物分子结合，包括共价键合、非共价相互作用和表面修饰。通过共价键合（如点击化学和EDC/NHS偶联[28]、[29]、[30]），肽和抗体等生物分子可以稳定且牢固地结合到UCNPs表面。非共价方法（如静电和疏水相互作用）提供了更简单的功能化途径，同时保持了结合分子的生物活性。此外，基于DNA的自组装方法促进了具有可编程靶向功能的UCNPs纳米结构的创建，从而提高了其在核酸检测中的应用[28]、[31]。最近，Zhang等人开发了DNA功能化的UCNPs探针，并将其与双适配体触发的催化发夹组装（CHA）结合，用于定量检测循环肿瘤细胞[32]。Jiang等人报道了一种单线态氧激活的上转换发光检测方法，该方法使用抗体和¹O?可切割的淬灭剂，实现了超灵敏的蛋白质检测[33]。

在生物传感应用中，研究人员还研究了将UCNPs与等离子体纳米粒子或量子点结合的混合纳米平台，以增强信号放大和灵敏度。例如，Chen等人使用适配体功能化的UCNPs和CdTe量子点开发了一种双模式生物传感器，用于miRNA-21的检测[34]。Camargo等人将UCNPs与万古霉素或多粘菌素B结合，分别用于特异性检测革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌[35]。图1展示了带有生物分子识别元素的功能化活性核/活性壳UCNP的通用结构，这是各种POC诊断平台的基础。此外，UCNPs与微流控设备的结合促进了芯片实验室系统的开发，实现了实时和多重生物标志物的检测，进一步扩展了它们在POC诊断中的作用。智能UCNPs传感器结合机器学习算法和智能手机成像技术，正在发展成为快速、便携且经济高效的诊断工具[36]、[37]、[38]、[39]。这些发展，尤其是在POC诊断领域，推动了UCNPs技术向实际生物应用的转化。

本综述旨在全面概述用于POC诊断的生物分子功能化UCNPs的最新进展，探讨了它们在疾病检测和医疗监测方面的革命性潜力。此外，综述还深入探讨了用于提高UCNPs稳定性、生物相容性和功能化的各种表面工程技术。重点讨论了不同的生物分子结合策略，这些策略能够实现与生物分析物的精确靶向和高亲和力相互作用。还讨论了UCNPs在先进POC诊断平台中的整合，包括基于F?rster共振能量转移（FRET）的生物传感器、侧向流动分析（LFAs）、微流控设备和智能手机集成传感技术。这些平台在检测核酸、蛋白质、小分子和病原体方面表现出显著的效率，为更有效的疾病监测和管理铺平了道路。尽管基于UCNPs的诊断技术具有广泛应用前景，但仍面临一些挑战，包括灵敏度、特异性、稳定性、大规模合成和临床转化等问题。综述分析了这些限制，并讨论了潜在的解决方案和未来的研究方向，以克服现有障碍。

上转换纳米粒子（UCNPs）的基础知识

在掺镧的UCNPs中，三价镧离子作为光学活性掺杂剂被战略性地嵌入介电宿主基质中。这种宿主晶格通常由氟化物（如NaYF₄或NaGdF₄等）或氧化物组成，提供了一个稳定且声子能量较低的环境，有利于高效的能量传递过程。这些纳米粒子的尺寸通常小于100纳米，这种纳米级限制影响了它们的光学特性

UCNPs的生物分子功能化策略

此外，纳米材料的表面特性对于评估其在体外和体内环境中的生物相容性至关重要。表面修饰的核壳结构通过将发射中心与外部环境空间分离，减少了非辐射损失。这些改变不仅保持了UCNPs的胶体稳定性和光学稳定性，还为后续与生物分子（如抗体、核酸、肽等）的结合引入了功能基团

在即时诊断中的应用

POC诊断是在患者护理现场或附近进行的医学诊断测试。其目标是快速、准确且经济地检测生物标志物、病原体或分析物，以支持及时的临床决策。根据PubMed统计数据显示，2010年至2025年间关于POC诊断的出版物数量显著增加，如图9所示。这一增长趋势表明人们对POC研究的兴趣日益浓厚

结论与未来展望

POC诊断的快速发展正在通过实现及时、分散式和经济的疾病检测来重新定义现代医疗保健。这一转变的核心是生物分子功能化UCNPs的发展，由于其独特的反斯托克斯发光、光稳定性和极低的背景干扰，这些纳米粒子已成为强大的光学探针。基于UCNPs的POC技术的最新创新包括先进的表面工程和生物结合技术

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能会影响本文所述的工作。

致谢

作者感谢国家自然科学基金（项目编号22275120、22575142）和上海市科学技术委员会（编号22520711600）的财政支持。