综述：用于检测SARS-CoV-2的表面等离子体共振生物传感器

《Chemosensors》：Surface Plasmon Resonance Biosensors for Detection of SARS-CoV-2 Yili Yuan, Qing Kang, Xusheng Wang, Wensheng Liu and Jialei Du

本综述系统评述了用于检测SARS-CoV-2的表面等离子体共振（SPR）生物传感器的最新进展。文章聚焦于提升传感器性能的策略，包括先进的等离激元纳米结构（如纳米盘阵列、二维材料异质结）设计、精确的表面功能化（如Tris-NTA芯片、分子印迹聚合物纳米颗粒）、以及多样的信号放大技术（如纳米颗粒共轭、等离激元光热效应）。此外，文章比较了SPR技术与传统及新兴检测方法（如ELISA、SERS、荧光检测）的优劣，并探讨了机器学习在优化传感器性能与数据分析中的应用。最后，本文指出了该领域在临床诊断、现场检测（POCT）及应对未来突发传染病方面的挑战与前景。

　　

表面等离子体共振（SPR）是一种无需标记、可实时检测生物分子相互作用的高灵敏度生物传感技术。在应对由SARS-CoV-2（严重急性呼吸综合征冠状病毒2型）引发的COVID-19（新型冠状病毒肺炎）全球大流行的背景下，SPR生物传感器因其独特的优势，在病毒检测领域取得了显著进展。本综述旨在梳理该领域的关键技术与前沿发展。

近期用于检测SARS-CoV-2的表面等离子体共振生物传感器进展

SPR生物传感器的设计与制造

等离激元纳米结构

纳米结构的引入是提升SPR传感器性能的核心策略之一。通过定制传感界面的物理化学性质，纳米材料能引发局域表面等离子体共振（LSPR）效应，在金属-电介质界面产生强烈的局域电磁场“热点”，从而通过折射率变化导致共振信号偏移，实现信号增强。例如，纳米盘阵列可通过调整其纵横比来精确调谐共振角，优化后的传感器灵敏度可达250°/折射率单位（RIU）。二维纳米材料，如石墨烯、黑磷（BP）、MXene的集成，能大幅提升检测灵敏度。有研究报道，基于Ag/ZnTe/ZnS结构的SPR传感器达到了迄今报道最高的灵敏度，为474.1°/RIU。此外，将垂直微腔与LSPR平台集成，可构建高通量、超高灵敏度的混合生物传感平台，其检测限（LOD）可低至319病毒拷贝/毫升，并在30分钟内处理100个样本，展现了在现场即时检测（POCT）方面的巨大潜力。

2垂直微腔生物传感器的示意图和检测机制。">

尽管等离激元纳米材料修饰显著提高了SPR生物传感器的灵敏度并降低了检测限，但仍面临一些转化障碍，如贵金属纳米结构在生理条件下的胶体与界面稳定性有限、制造工艺复杂、成本高昂以及批间重现性差等。

表面功能化

除了纳米结构，传感器平台的表面功能化是实现目标分析物选择性捕获的另一有效策略。通过将特定的识别元件（如抗体、适体、分子印迹聚合物）固定在传感器表面，可以实现对病毒蛋白或颗粒的特异性检测。

例如，基于生物响应性纳米凝胶的SPR平台，通过纳米凝胶共轭的RBD（受体结合域）蛋白与SARS-CoV-2中和抗体（NAb）之间的多价结合相互作用，产生了显著增强的SPR信号。Zhou课题组开发了一种新型Tris-NTA（三（次氮基三乙酸））传感芯片，不仅能稳定固定蛋白探针分子，还能使芯片表面多次再生，提高了利用效率并降低了成本。该芯片用于检测血清样本中的特异性抗体，每次检测成本低于0.6美元，远低于商业酶联免疫吸附测定（ELISA）试剂盒。

该团队进一步将S1蛋白、ACE2（血管紧张素转换酶2）和G蛋白分子固定于Tris-NTA传感器芯片的不同通道，实现了对血清样本中抗S1抗体、SARS-CoV-2病毒颗粒以及抗体中和后病毒颗粒的同步在线检测，整个过程可在12分钟内完成。

除了直接的抗原-抗体相互作用，直接病毒检测和基于适体的识别也是重要的检测策略。Altintas及其同事报道了一种基于分子印迹聚合物纳米颗粒（MIP-NPs）的SPR传感器，用于SARS-CoV-2的快速、经济高效诊断。该传感器对目标病毒的结合亲和力^K_D值达0.12 pM。此外，利用适体-蛋白生物亲和相互作用设计的适体传感器，也能实现对SARS-CoV-2刺突蛋白S1或RBD的选择性、特异性检测。

信号放大技术

用于信号增强的纳米颗粒共轭

构建夹心式检测结构是放大SPR信号的常用策略。通过使用修饰了检测抗体的纳米颗粒作为信号增强剂，可以大幅提高检测灵敏度。例如，一种使用Ti₃C₂-MXene纳米片修饰传感芯片，并以聚多巴胺-银纳米颗粒-抗SARS-CoV-2刺突S1蛋白（PAD-AgNP-Ab₂）纳米复合物作为信号增强剂的夹心式SPR生物传感器，对S1蛋白的检测线性范围达0.0001至1000纳克/毫升，LOD低至0.012皮克/毫升。另一项研究中，通过Au@Ag@Au纳米颗粒（NPs）和氧化石墨烯（GO）的协同作用构建的夹心免疫分析法，用于检测N蛋白，LOD为83皮克/毫升。

Li等人设计了一种结合S蛋白RBD与人ACE2特异性结合的纳米材料共轭等离子体共振生物传感器，并将其应用于基于MetaSPR的竞争性和假病毒中和试验。通过将金-铂纳米花固定在优化的MetaSPR芯片上构建传感界面，实现了平台的信号双放大。所建立的基于MetaSPR的病毒中和试验（MSPR VNT）平台可在20分钟内快速检测中和抗体（NAb）。

利用等离激元光热效应等进行信号增强

将等离激元光热（PPT）效应与LSPR检测技术相结合，可以开发出具有多重检测功能的等离子体生物传感器。Wang等人开发了这样一种双功能LSPR生物传感器，它使用DNA受体修饰的二维金纳米岛（AuNIs）作为传感平台，通过核酸杂交灵敏检测互补的SARS-CoV-2核酸序列。局域PPT诱导的热效应优化了杂交温度，从而有助于准确区分目标与非目标基因序列。对于1 nM的SARS-CoV-2 RDRp基因序列，在PPT加热增强下，结合速率常数（^k_a）从1.41 × 10⁵提升至1.11 × 10⁶M^-1s^-1，对目标序列的LOD低至0.22 × 10^-3nM。

Tan等人将激光外差反馈干涉测量（LHFI）技术与SPR免疫分析集成，LHFI的增益放大效应将SPR生物传感器的折射率分辨率提高到3.75 × 10^-8RIU，实现了对SARS-CoV-2刺突抗原的无标记检测，线性范围0.01至1000纳克/毫升，LOD低至0.08皮克/毫升。

SPR与其他检测技术的比较

与表面增强拉曼光谱（SERS）、荧光等技术相比，SPR虽然在多目标检测能力上稍逊，但具有更高的成本效益和更成熟的技术体系。作为一种无标记传感技术，SPR能够实时监测病毒-蛋白相互作用，最大限度地减少背景干扰，从而确保更高的检测准确性。与酶联免疫吸附测定（ELISA）、侧向流动免疫测定（LFI）和流式细胞术（FC）等基于抗原-抗体特异性的免疫测定法相比，SPR生物传感器无需标记、可实时定量、并能直接获取动力学参数，在阐明病毒-抗体结合机制和鉴定高亲和力中和抗体方面具有不可替代的定位。而其他方法则分别在高通量血清学监测、临床即时诊断和功能性免疫分析等不同场景中发挥协同作用。

SPR生物传感器与机器学习的集成

机器学习与SPR的融合是一个新兴的前沿方向。例如，有研究利用SPR测定潜在抑制剂的结合亲和力，并进一步应用随机森林（RF）和支持向量机（SVM）模型来预测其抑制效率，以加速候选药物的筛选。Hu等人开发了一种将LSPR与机器学习算法相结合的新技术，通过成像采集和特征提取，训练出性能优异的分类模型，用于SARS-CoV-2病毒颗粒的快速、准确检测。此外，机器学习算法也被用于优化光子晶体光纤表面等离子体共振（PCF-SPR）传感器的结构参数，以实现超高灵敏度。

结论与展望

集成纳米材料的各种新型SPR传感器已被开发用于SARS-CoV-2的特异性检测。当前的研究主要集中于传感器的小型化、便携化和多功能化。等离激元纳米结构因其独特的光学特性，可显著提高灵敏度并降低检测限。表面功能化策略则确保了检测的特异性和准确性。同时，多种信号放大策略被开发用以应对病毒结构蛋白低丰度带来的挑战。

尽管SPR技术相比其他检测方法具有独特优势，但仍存在一些固有局限。未来的研究应侧重于互补技术的集成，例如将SPR与微流控系统耦合以实现高通量样本分析，或与电化学、荧光检测技术集成以构建多信号输出平台。机器学习与SPR技术的深度融合，特别是实现传感数据的智能分析和传感器性能指标的优化，是未来重要的发展方向，但目前面临训练数据稀缺、模型泛化能力不足等挑战。

总之，随着纳米材料、人工智能等跨学科领域技术的不断进步，SPR技术有望进一步克服现有瓶颈，在病毒病原体的快速检测、SARS-CoV-2变异株的监测以及抗病毒药物的研发中发挥越来越重要的作用，为全球传染病的预防、控制和管理提供更强大、高效的技术支持。