引言

在当今快速变化的世界中，传染病的迅速传播对人类健康构成了严重威胁，并带来了巨大的经济损失。快速、准确地检测细菌和病毒病原体对于控制传染病的传播和提升医疗保健水平至关重要。传统的检测方法，如RT-PCR和ELISA，虽然在病原体检测中发挥着重要作用，但它们往往存在操作复杂、耗时且劳动强度大的问题。因此，研究人员一直在探索新的设备，以克服这些限制，有效检测各种感染性病原微生物。在这一背景下，纳米技术的发展为生物传感器的架构和性能提升提供了有力支持，尤其是金纳米颗粒（AuNPs）基生物传感器，因其独特的物理、化学和光学特性而备受关注。

图1 图形摘要（来源于参考文献）

金纳米颗粒的独特优势

金纳米颗粒（AuNPs）因其独特的物理、化学和光学特性，在生物传感器的开发中备受关注。AuNPs具有高比表面积、优异的生物相容性、易于功能化和可调谐的光学特性等优势，使其成为检测各种生物分子（包括蛋白质、核酸以及细菌和病毒生物标志物）的理想选择。这些特性不仅提高了检测的灵敏度和特异性，还简化了检测过程，使其更适合于现场快速检测。

金纳米颗粒基生物传感器的检测机制

AuNPs基生物传感器的检测机制主要分为三部分：生物受体、信号转导和目标分子。生物受体（如适配体、抗体、酶或核酸）固定在AuNPs表面，当目标分子与生物受体结合时，信号转导部分将生物信号转换为可测量的电信号或光学信号，从而实现对目标分子的检测。

图2 基于AuNPs的检测策略，其运用了不同类型的传感器

比色生物传感器

比色生物传感器是基于AuNPs的颜色变化来检测目标分子的。当目标分析物与特定生物受体结合后，AuNPs的光学性质发生变化，导致溶液颜色从红色变为蓝色，这一变化可通过肉眼观察到。例如，Dester等人开发了一种基于AuNPs聚集的比色生物传感器，用于检测大肠杆菌（E. coli）。当目标E. coli与固定在AuNPs表面的抗体结合时，AuNPs发生聚集，导致溶液颜色从红色变为蓝色，从而实现对E. coli的检测。

电化学生物传感器

电化学生物传感器是基于电化学信号来检测目标分子的。AuNPs作为电导性纳米材料，有助于目标分子与生物受体分子之间的氧化还原过程，产生与目标浓度成正比的电化学信号。例如，Cesewski和Johnson开发了一种基于AuNPs的电化学生物传感器，用于检测HIV-1病毒。当目标HIV-1病毒与固定在AuNPs表面的抗体结合时，AuNPs与电极之间的电子转移过程发生变化，产生电化学信号，从而实现对HIV-1病毒的检测。

表面增强拉曼散射（SERS）生物传感器

SERS生物传感器是基于AuNPs表面增强的拉曼散射信号来检测目标分子的。当目标分子吸附在AuNPs表面时，其拉曼散射信号会得到显著增强，从而实现对目标分子的检测。例如，Yang等人开发了一种基于AuNPs的SERS生物传感器，用于检测寨卡病毒（Zika virus）。当目标寨卡病毒与固定在AuNPs表面的抗体结合时，其拉曼散射信号得到显著增强，从而实现对寨卡病毒的检测。

金纳米颗粒基生物传感器的应用

近年来，AuNPs基生物传感器在检测蛋白质、核酸以及细菌和病毒生物标志物方面取得了显著进展。以下是一些具体的应用实例：

蛋白质检测

Boonkaew等人开发了一种无标记的折纸纸基电化学免疫分析法，用于检测C反应蛋白（CRP）。在该分析法中，AuNPs被电沉积在丝网印刷碳电极上，然后通过自组装单层的L-半胱氨酸和抗CRP抗体进行修饰。在优化条件下，该传感器对CRP的检测范围为0.05至100 μg / mL，检测限为15 ng / mL。此外，Antonio等人开发了一种基于AuNPs和CRP结合适配体的比色检测方法，其线性检测范围为0.899至20.7 μg / mL，检测限为1.2 μg / mL。

核酸检测

Wang等人构建了一种基于AuNPs的电化学生物传感器，用于检测汉坦病毒（HTV）。在该生物传感器中，AuNPs被修饰在电极表面，然后通过捕获DNA探针进行自组装。目标HTV DNA片段通过互补碱基配对与捕获DNA杂交，形成三明治结构。该生物传感器对HTV的检测限低至0.74 × 10^-15 mol / L。此外，Lee等人开发了一种基于单个RNA分子修饰的AuNPs的电化学SERS生物传感器，用于检测微小RNA-155。该生物传感器能够在1小时内检测到60 × 10^-18 M的微小RNA-155。

细菌检测

Elhosseiny等人开发了一种基于抗体修饰的AuNPs的免疫色谱试纸条，用于检测引起新生儿败血症的肺炎克雷伯菌（Klebsiella pneumoniae）。该试纸条对Klebsiella pneumoniae的检测限为10⁵ CFU / mL。此外，Gür等人构建了一种基于表面印迹AuNPs纳米传感器的SPR生物传感器，用于检测引起尿路感染的大肠杆菌（E. coli）。该生物传感器对E. coli的检测限为1 CFU / mL。

病毒检测

Steinmetz等人开发了一种基于氧化玻璃碳电极修饰的Silsesquioxane功能化AuNPs的DNA生物传感器，用于检测寨卡病毒（ZIKV）。该生物传感器对ZIKV的检测范围为1.0 × 10^-12至1.0 × 10⁶ mol / L，检测限为0.82 p mol / L。此外，Cajigas等人开发了一种基于AuNPs和单链DNA的稳定纳米复合物的基因传感器，用于检测ZIKV的遗传物质。该基因传感器对ZIKV遗传物质的检测限为0.2和33 f mol / L。

面临的挑战与未来发展方向

尽管AuNPs基生物传感器具有诸多优点，但仍面临一些挑战。例如，生物传感器的稳定性和重复性需要进一步提高，以确保在不同环境条件和样品基质中的可靠检测。此外，对于一些复杂的生物样品，如血液和组织，生物传感器的选择性和抗干扰能力还需要加强。未来的研究方向将集中在以下几个方面：

提高检测灵敏度和特异性：通过优化AuNPs的合成方法、表面修饰和生物受体的设计，进一步提高生物传感器的检测性能。

多目标检测：开发能够同时检测多种病原体或生物标志物的生物传感器，以满足临床诊断和环境监测中对多种目标物检测的需求。

便携式和现场检测设备：设计和制造小型化、便携式的AuNPs基生物传感器，使其能够在现场或资源有限的地区快速、准确地进行检测。

与其他技术的融合：将AuNPs基生物传感器与微流控技术、生物芯片技术和人工智能等新兴技术相结合，实现高通量、自动化和智能化的检测。

结论

金纳米颗粒基生物传感器作为一种新兴的检测技术，在细菌和病毒病原体检测领域展现出了巨大的潜力。它们不仅具有快速、灵敏和特异的优点，而且操作简便，适用于多种应用场景。随着技术的不断进步和创新，AuNPs基生物传感器有望在未来的医疗诊断、公共卫生监测和生物安全领域发挥更加重要的作用，为人类健康和社会发展做出更大的贡献。

参考文献：

Parkhe V S, Tiwari A P. Gold nanoparticles-based biosensors: pioneering solutions for bacterial and viral pathogen detection—a comprehensive review[J]. World Journal of Microbiology and Biotechnology, 2024, 40(9): 269.