高性能功能微球：聚集诱导发光在疾病诊断领域的应用

胡亚新 谢莉 刘勇 王志明

人体疾病往往伴随着相应指标的异常，许多生物标志物犹如哨兵，在疾病早期便通过各项异常来警醒人们。然而，有许多危及生命的疾病在早期时很难检测到，随着时间的推移，逐渐恶化并对生命健康构成威胁。因此，与疾病相关的生物标志物的早期检测和识别，对人类健康具有重要意义[1]。

量化目标生物标志物的传统方法往往依赖于复杂的净化过程、昂贵的设备和资源密集的分析方法（如CT、核磁共振、质谱等）[2]。如能寻找到简洁、准确、具体的策略，将有助于有效量化目标生物标志物，从而为临床诊断和生物医学研究提供可靠的安全保障。酶免疫分析法（enzyme immunoassay， EIA）因操作简单、成本低、通量高、指示直观等优点，已成为临床诊断、食品质量和环境监测中被广泛认可的金标准方法[3]。然而，EIA也存在热稳定性差、寿命短、酶载量有限等问题，进而抑制了其在精确诊断，特别是在低浓度生物标志物的条件下的应用[4]。因此，基于荧光材料的荧光免疫分析法（fluorescence immunoassay， FIA）以其优异的灵敏度和较高的准确性越来越受到关注，在多种生物分子的检测中发挥了重要作用[5，6]。然而，传统有机荧光分子在聚集状态下会发生猝灭现象，从而限制了其应用场景[7]。作为一种新型荧光材料，聚集诱导发光（aggregationinduced emission， AIE）材料可以兼顾高灵敏度、长程检测和高稳定性等特点，展现出痕量标志物检测的独特优势，逐步成为荧光免疫技术的主导材料之一。

AIE功能微球

AIE功能微球通常采用聚合法、溶胀法来制备[9]，通过调节聚合工艺参数，可以调控微球粒径大小、粒径均一性、表面羧基密度。AIE材料在聚集状态下能够保持高发光效率，甚至相对亮度增强。高亮度的荧光微球非常适用于痕量生物标志物检测。

常用的有机荧光微球的斯托克斯位移通常较小，吸收波长和发射波长之间的距离一般小于50纳米。距离越小，意味着光谱重叠面积越大，信号干扰越强。而AIE荧光材料与纳米微球复合的AIE功能微球的斯托克斯位移可超过100 纳米，发射出的光子不会干扰激发能量。在生物检测时，这一特性会有效降低背景干扰。同时，AIE功能微球光稳定性好，连续激发下的荧光衰减程度可以保持在5%以内。光稳定性主要是指材料抵抗光老化的性能，光稳定性越高，表示荧光随时间衰减越少。荧光材料的光稳定性非常重要，是下游产品开发过程中批间差控制和产品效期的重要保障。

高灵敏AIE纳米材料免疫传感器

生物分子检测是研究身体疾病的重要手段，在许多疾病中，生物分子出现失调和差异表达。這些生物分子不仅可以作为潜在的药物靶点，还可作为生物标志物，为疾病的早期诊断和治疗提供关键信息。

目前，生物分子检测面临多项挑战：首先，生物样品中含有多种干扰分子，增加了检测的复杂性；其次，许多蛋白质可能以低浓度存在于生物样品中，需要高灵敏度的检测方法；再次，不同标志物的浓度差异可以高达许多数量级，对检测方法的动态范围提出很高要求；最后，标志物经历变异等过程，会导致各种同分异构体的存在，使得检测特定分子变得困难或复杂。

AIE免疫传感器一直是AIE材料研究和关注的热点方向。AIE材料具有聚集诱导发光性质，特别是具有大斯托斯位移、高亮度和耐光漂白性以及可调的分子设计能力。AIE材料包覆在微球内部，经过微球表面修饰和改性后，适合用于高灵敏免疫传感领域。

目前，AIE功能微球已广泛用于肿瘤、炎症、食品安全和毒品检测，具有检出限低、准确度高、线性范围宽、检出时间快等优点。针对癌症标志物的定量检测问题，研究人员将AIE材料包覆到相对刚性的聚苯乙烯微球中，获得尺寸从纳米到微米可调的AIE荧光微球，通过偶联抗体后，可作为肿瘤标志物检测的信号基元。相较于胶体金和传统的荧光标记材料，AIE信号稳定性更高。例如，与使用藻红蛋白或商用绿色量子点纳米粒作为荧光标记的荧光酶联免疫吸附法（FLISA）相比，其检测灵敏度分别提高了45倍和12倍[10]。

同时，在不需要复杂的信号处理和设备的情况下，AIE材料可替代传统酶联免疫吸附的显色剂，从而提高检测灵敏度、扩大检测动态范围。

AIE编码液相芯片技术

生物系统是复杂的有机组合，几乎所有的生物现象和反应都涉及多类生物分子，如蛋白质、核酸、糖及脂类等。这意味着，在分析复杂的生物过程（如增殖、免疫、代谢）时，任何仅基于单一因素得出的结论都是有限的。举例来说，癌症标志物CA125可以反映乳腺癌或卵巢癌发生的可能性，而标志物CA19-9与肺癌、结直肠癌、胰腺癌、胃癌有关。显然，仅仅检测单一的癌症生物标志物并不足以准确诊断癌症，因为大多数癌症的特征是至少有两种相关标志物水平的升高。在这些情况下，采用多指标生物检测，比如编码液相芯片技术，是一种有效的策略。液相芯片技术可以在同一样本中同时检测多个生物标志物，不仅可以节省检测时间，还能减少人力和成本的投入。

目前，商业化液相生物芯片系统如Luminex平台和BD公司的cytometric珠阵列等，均使用有机染料进行编码。然而，传统有机材料在聚集状态下会出现荧光猝灭现象，这限制了它们的编码容量和稳定性。相较于传统有机材料，AIE材料在聚集过程中能实现荧光信号的原位增强。同时，具有大斯托克斯位移、强耐光漂白性、抗磁性等性质，是一种优异的多功能编码微球材料。

AIE作为编码元素材料和信号放大报告分子，可针对5种过敏原实现高灵敏、多项目的定性和定量检测。研究人员利用多孔玻璃膜乳化将发射波长在可见光到近红外范围内的AIE材料加入聚苯乙烯-共马来酸酐（PSMA）中，构建了AIE编码库。同时，制备出高荧光AIE纳米粒子，作为一种新型的信号放大报告器[11]。AIE编码微球和AIE纳米粒子在不同的外部环境条件下都表现出良好的荧光稳定性。与藻红蛋白和量子点纳米粒子作为荧光信号报告的多重检测相比，AIE纳米粒子的荧光信号放大能力分别提高了5倍和3倍。此外，临床验证实验也证明了AIE编码微球液相悬浮阵列具有良好的患者血清样本检测性能，在高灵敏度多重生物检测领域有巨大的研究价值和临床应用潜力[12]。

基于AIE材料的生物检测技术具备高灵敏度、长程检测和高稳定性等优势，能够满足当前生物标志物检测平台的需求。在标志物检测信号放大技术领域，目前，AIE材料正处于迅速发展的时期，如何设计低成本、高容量的编码微球（一次性检测几十个项目指标）、高信噪比纳米放大器（能区分检出限数量级差异的不同指标）和高自动化处理系统，以及如何适配市面上已运行的流水线设备，将是AIE微球传感技术面对复杂的体外检测环境应用的最大挑战。

未来，AIE技术将和人工智能数据库、光学成像检测设备结合起来，进一步探索其在单分子诊断、基因序列测定中的应用价值，构建新型荧光材料与检测灵敏度、线性范围之间的构效关系。AIE材料蕴含的多种可开发的机制——涉及化学、免疫学和激光学相互作用机制，可实现抗磁、稳定、准确的多指标检测，有助于拓展其在大健康数据建设等领域的应用，为未来实现一滴血检测身体所有指标铺平道路。

[1]Parsa S F， Vafajoo A， Rostami A， et al. Early diagnosis of disease using microbead array technology： a review. Analytica Chimica Acta， 2018， 1032： 1-17.

[2]Li C， Yang Y， Wu D， et al. Improvement of enzyme-linked immunosorbent assay for the multicolor detection of biomarkers. Chemical Science， 2016， 7 （5）： 3011-3016.

[3]de la Rica R， Stevens M M. Plasmonic ELISA for the detection of analytes at ultralow concentrations with the naked eye. Nature Protocols， 2013， 8 （9）： 1759-1764.

[4]Xiong L， He X， Zhao Z， et al. Ultrasensitive virion immunoassay platform with dual-modality based on a multifunctional aggregationinduced emission luminogen. ACS Nano， 2018， 12 （9）： 9549-9557.

[5]Li J， Lv Y， Li N， et al. Robust synthesis of bright multiple quantum dot-embedded nanobeads and its application to quantitative immunoassay. Chemical Engineering Journal， 2019， 361： 499-507.

[6]Magnusson K， Bartonek E， Nordkvist E， et al. Fluorescence-linked immunosorbent assay （FLISA） for quantification of antibodies to food antigens. Immunological Investigations， 1987， 16： 227-240.

[7]Zhang B， Kumar R， Dai H， et al. A plasmonic chip for biomarker discovery and diagnosis of type 1 diabetes. Nature Medicine， 2014， 20 （8）： 948-953.

[8]Zhang J， Shikha S， Mei Q， et al. Fluorescent microbeads for pointof-care testing： a review. Microchimica Acta， 2019， 186： 1-21.

[9]Wang H， Zhao E， Tang B Z， et al. AIE luminogens： emission brightened by aggregation. Materials Today， 2015， 18 （7）： 365-377.

[10]Wu W， Shen M， Liu X， et al. Highly sensitive fluorescencelinked immunosorbent assay based on aggregation-induced emission luminogens incorporated nanobeads. Biosensors and Bioelectronics， 2020， 150： 111912.

[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.

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