研究背景

呼吸道感染是一个主要的全球公共卫生威胁，位居全球死因第四位，除了COVID-19，流感病毒、腺病毒、细菌、支原体等都是临床常见的呼吸道病原体。早期对于病原体的准去检测能够实现有针对性的治疗策略，从而减少耐药性和严重病例的出现。

qPCR的诊断呼吸道病原体的金标准，但需要昂贵的热循环仪器，限制了其在资源有限环境中的应用，相比之下，环介导的等温扩增（LAMP）以设备简单、高灵敏度、快速检测等优势，具备开发POTC设备的潜力。此外，配备各种传感器和接口的智能手机用作数据收集、分析和显示的集成平台，为快速、现场 POCT 应用实现经济高效、小型化和便携式检测。尽管基于智能手机的检测设备不断发展，但其简化的设计往往会损害灵敏度，需要更强的检测信号。电化学发光 （ECL） 具有超高灵敏度、无缝电化学-光学集成和易于作的特点，成为 POCT 的理想解决方案。基于上述背景和挑战，易长青教授团队目前的研究通过将 ABS（丙烯腈丁二烯苯乙烯）多孔绝缘板与 ITO（铟锡氧化物）电极集成，展示了一种利用空间分辨率的双极电极阵列芯片（称为 B 芯片）。结合 LAMP 和 ECL 技术，实现四种呼吸道病原体（H1N1、H7N9、FluB 和 HAdV）的同时检测。该系统有望为呼吸道病原体感染提供创新的家庭监测解决方案，促进早期诊断和及时干预

研究原理

图1 B芯片的制造、表征和优化

B芯片是通过对单电极 ECL 平台进行系统修改开发的（图 1A）。基板由ITO导电玻璃组成，并蚀刻了中心断路器以对两侧进行电气隔离。ITO 玻璃经过严格的清洁后，在60 ℃下热退火2 小时，同时用激光切割带有背胶的ABS薄膜，形成一系列均匀的矩形孔；之后使用粘合剂将ABS薄膜粘贴在ITO玻璃上，用反应溶液填充孔后，将另外五个ITO玻璃条精确定位在 ABS 薄膜上，其处理方式与基材相同。最终组件被固定在定制设计的芯片座内，完成了 B 芯片结构。

图2 PEMD的设计及验证

如图 2A和图 2B所示，PEMD 由六个主要组件组成：（1）基座模块，用于固定 B 芯片;（2）迷你成像暗箱，确保以可重现和高质量的方式捕获ECL信号;（3）适配器，用于组装华为 Nova 5i Pro 智能手机;（4）芯片座，正确定位 B 芯片并将其连接到电源;（5）电压控制模块，提供稳定精确的激励电压，触发 B 芯片上的 ECL 信号;（6）温控模块，提供精确稳定的加热环境来触发 B 芯片上的 LAMP。

图3 检测策略及验证

B 芯片上的检测策略如图 3 A 所示，扩增区中靶标的存在使 LAMP 扩增成功，这导致 MB 非特异性嵌入到 LAMP 产生的双链 DNA 结构中，导致 MB 的氧化还原电流降低并因此猝灭检测区中的 ECL 信号。相反，在没有靶标的情况下，LAMP 扩增不会发生在扩增区内，使 MB 处于游离状态，对在检测区观察到的 ECL 信号没有明显影响。基于此原理，对于ECL信号的检测，就可以实现对待测病毒的检测。

研究亮点

1、超低检出限

图 3B显示了不同浓度的相同靶标（H1N1、H7N9、FluB、HAdV）的 ECL 信号淬灭，表明系统能够检测不同浓度的相同标志物，LOD 为 10 拷贝/μL（N 代表阴性对照）。

2、卓越的临床检测性能

研究团队对56例临床咽拭子样本进行了分析，其中包括 19 份疑似 FluA 阳性样本、17 份疑似 HAdV 阳性样本和 20 份疑似 FluB 阳性样本。图 4A说明了使用 PEMD 分析测试的 56 个临床样本的 ECL 强度值。采用 ECL 强度阈值 1.2 来定义阳性和阴性结果，揭示了在该标准下两组之间的统计学显着差异。此外，热图（图 4D）比较了 qPCR 和 PEMD 系统之间每个样品的检测结果。热图中的颜色强度反映了相对的表达水平，较深的阴影表示较高的表达。PEMD 检测获得的结果与 qPCR 的结果非常相似，尽管 4 个疑似阳性和 2 个疑似阴性样本存在差异。

图4 临床样本实际检测的验证

PEMD检测的灵敏度（真阳性率）为0.875，特异性（真阴性率）为0.917，总体准确度为0.89，表明PEMD和qPCR的检测结果之间存在高度一致性。此外，为FluA（图4E）、HAdV（图4F）和FluB（图4G）生成受试者工作特征（ROC）曲线，曲线下面积（AUC）值分别为0.9773、0.9444和0.883。这些结果强调了PEMD测定在区分每种病原体的阳性和阴性病例方面的高准确性。ROC分析证实了所开发的诊断分析的稳健性能，突出了它们在临床环境中的敏感性和特异性。

为了进一步验证PEMD检测的特异性，选择了24个qPCR阳性样本，包括COVID-19（CoV）、人类呼吸道合胞病毒（HSV）、人鼻病毒（HRV）、肺炎支原体（MP）、肺炎链球菌（Spn）和百日咳博德特氏菌（Bp）阳性样本。值得注意的是，所有通过qPCR鉴定为阳性的非目标咽拭子样本（红色）在PEMD检测中均显示阴性结果（蓝色）（图4B）。由于目前的PEMD检测是专门为检测H1N1、H7N9、FluB和HAdV而设计的，这一结果进一步凸显了其对区分各种呼吸道病原体菌株的高选择性。

总结与展望

这项研究开发了一种低成本、智能手机集成的便携式ECL检测系统，该系统具有双极电极阵列芯片。该平台将MB的DNA嵌入特性与LAMP扩增和ECL传感相结合，能够在40分钟内同时检测四种呼吸道病原体（H1N1、H7N9、FluB和HAdV）。LOD为10拷贝/μL，与qPCR（6拷贝/μL）相当。临床验证显示阳性检出率为87.5%，阴性检出率为91.7%，与临床金标准qPCR方法的一致性为89.3%，对非目标病原体的特异性为100%。总体而言，这种基于智能手机的传感系统适用于现场快速检测各种呼吸道病原体，在社区健康和家庭自我检测中具有广泛的应用，尤其是在资源有限的环境中。

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.bios.2025.117783