《Talanta》：Advancing Point-of-Care Diagnostics: Engineering and enhancing Sensitivity and Specificity in Nanoparticle-based Lateral Flow Assays for Rapid Disease Detection
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LFA作为便捷诊断工具，面临灵敏度低、定量差及多指标检测能力不足等问题。本文系统综述了生物识别元件（抗体、纳米抗体、aptamer）工程、纳米材料增强信号（纳米酶、荧光探针）、样本前处理及多路检测架构的创新，结合AI与智能手机实现数字化读取，显著提升检测精度与可及性，助力资源有限地区的疾病防控与全球监测。
Arunima Lala|Thangapandi Kalyani|Hiranmoy Kotal|Saikat Kumar Jana
印度阿鲁纳恰尔邦Papum Pare国家技术学院生物技术系，邮编791113
摘要
侧向流动分析（LFA）因其简单性、快速周转时间、便携性和低成本而成为最广泛使用的即时检测（PoC）工具。尽管在临床诊断、食品安全和环境监测中得到了广泛应用，但传统的LFA仍存在灵敏度不足、定量能力差以及多重检测能力受限的问题，尤其是在疾病早期检测方面。本文系统地探讨了为克服这些局限性并推动LFA向下一代诊断平台发展而开发的最新工程技术。我们重点介绍了生物识别元件工程（包括抗体、纳米体和适配体）的进展，以及通过先进纳米粒子标记、信号报告剂（如纳米酶、荧光探针）等纳米材料实现的创新，以改进信号放大系统。还讨论了样本预浓缩、核酸扩增和多重检测架构等新兴方法在提高分析灵敏度和特异性方面的应用。重要的是，人工智能（AI）和基于智能手机的读数系统的整合使LFA具备了数字化功能，实现了客观解读、无线数据传输和半定量分析，同时保持了便携性和低制造成本。总体而言，这些进步使现代LFA成为适应性强、成本低廉且可扩展的诊断工具，能够弥合快速现场检测与集中式实验室检测之间的差距，对分散式医疗、大规模筛查和全球疾病监测具有重要意义。
引言
侧向流动分析（LFA）因其在多个领域的有效性及成本效益而被广泛认可，其快速的结果和便携性使其成为理想的检测手段[1]。在临床诊断、食品安全、环境监测、兽医护理和药物分析等领域都受益于LFA的这一创新特性[2, 3, 4]。作为即时检测设备，LFA有助于快速诊断疾病，辅助临床决策，并帮助管理传染病相关的公共卫生问题。这些疾病在全球范围内导致大量死亡。LFA测试在医院急诊室、救护车、资源匮乏地区以及缺乏强大实验室支持系统中得到广泛应用[5]。LFA提供的即时诊断结果、用户友好性和快速检测能力使其成为紧急情况下疾病诊断和公共卫生控制的重要工具[6]。LFA具有多种优势，如易于使用、响应迅速、价格合理、结果可见等[7, 8]。近年来的发展使得LFA可以与基于AI的智能手机应用程序结合使用，实现测试线强度的客观解读、无线数据传输和半定量读数，同时不牺牲便携性。借助AI的数字集成系统，LFA在适应多种类型的生物标志物检测方面具有更强的灵活性，同时保持了传统LFA系统的低成本和便于现场部署的特点。LFA通过提供更快速的诊断手段和更好的患者结果，促进了医疗系统的决策效率，并在全球范围内改善了疾病控制。该设备的设计使得添加生物样本后即可进行测试，适用于多种样本类型，包括指尖采血[9]、血清[10]、血浆[11]、唾液[12]、尿液[13]和痰液[15]。用于结果报告的标记颗粒被连接到对目标分析物具有高亲和力的抗体或分子上。常用的探针材料是金纳米粒子（AuNP），它们因表面等离子体共振（SPR）而呈现红色[16, 17, 18]。附着有特定目标抗体的纳米粒子（如量子点[19]、荧光染料和上转换荧光体[20]）可作为信号传递剂。LFA产生的信号无需仪器即可用肉眼观察到。最新研究展示了多种类型的纳米粒子（如彩色乳胶颗粒、酶、金属和碳基纳米粒子、荧光团、磁性纳米粒子）如何通过毛细作用促进样本和试剂快速移动到测试线，从而实现快速结果。基于纸质的多孔硝化纤维素膜的使用进一步加快了样本和试剂的移动速度。抗体、标记剂和缓冲液的选取也确保了结果的稳定性。LFA设备可在室温下储存长达两年，无需冷链运输和冷藏。在发展中国家和资源匮乏地区，缺乏先进的检测设施成为获取先进检测技术的障碍。多年来，这类传染病的诊断主要依赖于聚合酶链反应（PCR）和酶联免疫吸附测定（ELISA）等集中式实验室技术。虽然这些方法有效，但操作繁琐、周转时间长且设备成本高昂，还需要受过培训的实验室人员。然而，LFA在即时检测领域的应用正在改变这一现状，因为大约25%的体外诊断（IVD）市场集中在传染病检测上。在检测技术、材料和组件方面取得了显著进展，缩小了LFA与实验室检测之间的灵敏度差距。研究重点在于保持LFA的快速性、易用性和成本效益，同时追求与传统实验室技术相当的检测限。本文详细探讨了提高LFA灵敏度的各种方法，包括抗体工程和其他基于纳米材料的创新方法，以及利用基于AI的智能手机读数系统实现多重检测和信号放大的策略。这些创新有望显著提升诊断准确性。本研究的目的是记录LFA在疾病诊断和管理方面的重大进展，推动LFA作为诊断工具的变革。
在本综述中，我们讨论了提高LFA灵敏度的多种方法，从LFA抗体工程和其他基于纳米材料的创新方法开始，进一步探讨了多重检测、信号放大以及利用基于AI的智能手机读数系统进行疾病检测的新策略。这些创新有望大幅提高诊断准确性。本研究旨在记录LFA在疾病诊断和管理方面的突破性进展，推动LFA作为诊断工具的发展方向。
侧向流动分析原理及开发过程
设计良好的LFA操作非常简单。如图1所示，传统LFA基于毛细作用驱动液体在一系列功能区间的流动。将样本施加到侧向流动条（LF条）上后，分析物和结合标记物通过毛细作用沿条移动。在这段时间内发生结合反应。样本施加后，分析物从样本垫迁移到结合垫。
捕获/检测剂的制备与工程化
捕获和检测剂对确保LFA的灵敏度和特异性至关重要。特别是在人类免疫缺陷病毒（HIV）等情况下，及时识别感染非常重要。能够检测到微量p24抗原有助于在急性期立即发现感染[69]。LFA的灵敏度提升不仅取决于信号放大策略，还受检测特异性的强烈影响。多重检测
随着传染病发病率和爆发的增加，快速准确的即时检测工具对于有效监测、管理和减轻全球健康负担变得日益重要。许多传染病在早期阶段表现为发热、身体疼痛和头痛等非特异性症状，这可能导致误诊或无法区分的发热性疾病，尤其是在资源匮乏的环境中。灵敏度提升
LFA的简单性虽然使其成为有效的即时检测工具，但也对其分析灵敏度造成了限制。传统LFA通常仅在分析物浓度超过ng/mL范围时才能提供可靠的视觉结果。在感染早期、无症状携带者或环境样本中常见的低丰度生物标志物往往产生微弱或无法检测到的信号，从而增加假阴性结果的风险。与新兴技术的整合
LFA发展的一个重要趋势是数字读数系统的整合，尤其是智能手机的应用。数字读数系统将简单的视觉检测与定量实验室仪器连接起来，为实现依赖敏感检测的放大策略提供了可能。结论与未来展望
LFA相比实验室方法具有明显的优势，体现在成本、易用性和操作时间上。这种简单性对于缺乏先进技术和专业人员的发展中国家或资源匮乏地区的初级医疗尤为重要。LFA能够检测血液、唾液、尿液和拭子样本，支持早期疾病检测并节省医疗成本。LFA在妊娠检测方面的应用尤为突出。作者贡献声明
Saikat Kumar Kumar Jana：可视化、监督、研究、资金获取、数据分析、概念设计。
Hiranmoy Kotal：验证、监督。
Thangapandi Kalyani：撰写与编辑、可视化、数据分析、数据管理、概念设计。
Arunima Lala：撰写与编辑、初稿撰写、资源协调、项目管理、方法设计、研究、概念设计
未引用参考文献
85.; 157.
利益冲突声明
作者声明没有已知的可能影响本手稿工作的财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了印度生物技术部（DBT，参考编号：BT/PR28144/NER/95/1485/2018）和Anusandhan国家研究基金会（ANRF）的支持，通过SERB-NPDF奖学金（PDF/2025/000256）资助。
