可视化检测技术在生化分析领域中的应用研究进展

doi:10.19894/j.issn.1000-0518.230235

摘要/Abstract

摘要：

可视化检测技术是通过待测物的刺激引发一系列反应产生光学信号，进而在裸眼或者图像处理技术的辅助下，实现对待测物进行定量的技术。将可视化检测技术应用于生化分析领域中，可以有效降低检测成本，并改善依赖专业仪器、专业人员和操作繁琐等问题。本文介绍了近15年来可视化检测技术在生化分析领域中的最新研究进展，根据产生的信号可大致分类为颗粒计数法、比色法、液晶传感、距离信号和侧向流动试纸条等方法。最后，本文对可视化检测技术的优势以及挑战进行了分析，并对可视化检测技术的开发及其在生化分析领域的应用前景作了展望。

关键词: 可视化, 生化分析, 颗粒计数, 距离信号, 显色分析

Abstract:

Visual detection technology is that generates optical signals in the visible region through the specific interaction between the targets and micro-nanoparticles or other materials， and then realizes the quantification of targets with the assistance of the naked eye or image processing technology. The application of visual detection technology in the field of bioanalysis can effectively reduce the detection cost， improve the low efficiency of biological detection， simplify the complicated operation steps， and solve the problems such as the need to use professional instruments. This work introduces the latest research progress of visual detection technology in the field of bioanalysis in recent 15 years. According to the detection principle， it can be classified into particle counting method， colorimetry method， liquid crystal sensing method， range signal method， and lateral flow test strip method. Finally， the advantages and challenges of visual detection technology are analyzed， and the future application prospects of visual detection technology in the field of bioanalysis are prospected.

Key words: Visualization, Biomolecular analysis, Digital counting, Distance signal, Colorimetric analysis

中图分类号:

O625

李凯璇, 陈晋荣, 邹倩倩, 时鹏飞, 刘丽赏, 张书圣. 可视化检测技术在生化分析领域中的应用研究进展[J]. 应用化学, 2024, 41(1): 21-38.

Kai-Xuan LI, Jin-Rong CHEN, Qian-Qian ZOU, Peng-Fei SHI, Li-Shang LIU, Shu-Sheng ZHANG. Application Research Progress of Visual Technique in Biomolecular Analysis[J]. Chinese Journal of Applied Chemistry, 2024, 41(1): 21-38.

图/表 23

图1 （A） GNP探针辅助SEM计数芯片原理图［21］；（B）以噬菌体-金纳米生物材料为探针进行靶miRNA的计数［22］；（C）利用噬菌体-金纳米颗粒为探针进行靶病毒的肉眼计数［23］

Fig.1 （A） Schematic of GNP probe-assisted SEM-counting chip［21］；（B） The phage-gold nanobiological material was used as a probe for gross enumeration of target miRNA［22］；（C） Macroscopic counting of target viruses using phage-gold nanoparticles as probes［23］

图2 基于铂纳米粒子的微气泡分析原理图［15］

Fig.2 Schematic of platinum nanoparticle based microbubbling assay［15］

图3 基于CuP增强的裸眼DNA检测方法原理图［24］

Fig.3 Schematic of the CuP-enhanced naked eye DNA detection method［24］

图4 基于液晶的表面固定单链DNA杂交检测［27］

Fig.4 Liquid crystal-based detection of DNA hybridization using surface immobilized single-stranded DNA［27］

图5 液晶法检测DNA的原理（红色探针代表DNA而蓝色探针代表PNA）［32］

Fig.5 Principles for detection of DNA by using LC （Red probes represent DNA whereas blue probes represent PNA）［32］

图6 适配体液晶传感器在不同浓度OTA存在下的偏振光图像［33］

Fig.6 The polarized images of the LC-based aptasensor in the presence of the various concentrations of OTA［33］

图7 （A） NEQ法用于H2O2的可视化定量。（B）提出的NEQ-ELISA蛋白质可视化半定量检测的原理［38］

Fig.7 （A） Naked-eye semiquantitative （NEQ） assay for visual quantification of H2O2. （B） Principle of the proposed NEQ-ELISA for visual quantification of proteins［38］

图8 使用金纳米粒子和杂交链式反应扩增的高灵敏度比色检测DNA的示意图［43］

Fig.8 Schematic of high sensitive colorimetric detection of DNA by using gold nanoparticles and hybridization chain reaction amplification［43］

图9 基于CRISPR/ Cas的比色基因检测原理图［48］

Fig.9 Schematic diagram of colorimetric gene detection based on CRISPR/Cas［48］

图10 用视觉扫描策略检测DNA分子信标（MB）方法的原理图［50］

Fig.10 Schematic of the DNA molecular beacon （MB） detection method using the visual scanning strategy［50］

图11 用于同时多目标检测的pH分辨比色生物传感器策略［51］

Fig.11 Schematic of pH-resolved colorimetric biosensor for simultaneous multiple targets detection［51］

图12 基于多重扩增纳米纤维传感平台的目标HIV可视化检测原理图［11］

Fig.12 Schematic diagram of targeted HIV visual detection based on a multiplex amplification nanofiber sensing platform［11］

图13 病原体核酸的可视化和模块化检测原理图［52］

Fig.13 Schematic diagram of visualization and modular detection of pathogen nucleic acids［52］

图14 生物矿化辅助扩增（BMA）策略的示意图［53］

Fig.14 Schematic representation of the biomineralization-assisted amplification （BMA） strategy［53］

图15 一种用于DNA可视化定量的多级容量条形图芯片原理图［55］

Fig.15 Schematic diagram of a multistage capacity bar graph chip for DNA visualization and quantification［55］

图16 Au@Pt纳米颗粒封装的目标响应水凝胶与容量条形图芯片读出定量即时检测方法原理图［56］

Fig.16 Au@Pt schematic diagram of nanoparticle-encapsulated target-responsive hydrogel and volumetric bar graph chip readout quantitative point-of-care detection method［56］

图17 基于微流控纸基的分析装置（μPAD）原理图［57］

Fig.17 Schematic diagram of a microfluidic paper-based Analysis Device （μPAD）［57］

图18 基于微流控距离读出信号的含糖水凝胶集成纸基分析装置原理图［58］

Fig.18 Schematic diagram of an integrated paper-based analysis device for sugar-containing hydrogels based on microfluidic range readout signals［58］

图19 基于距离的综合折纸分析装置原理图［59］

Fig.19 Schematic diagram of a distance-based integrated origami analysis device［59］

图20 使用侧向流动试纸进行LAMP扩增子的可视化原理示意图［60］

Fig.20 Schematic diagram of LAMP amplicon visualization using lateral flow dipstick［60］

图21 采用滚环扩增结合侧向流动条带特异性、同时检测miRNA 21和let-7a［61］

Fig.21 Simultaneous detection of miRNA 21 and let-7a using rolling circle amplification combined with lateral flow band specificity［61］

图22 基于多种生物素标记的DNA探针、侧流和智能手机的金黄色葡萄球菌16S-rRNA的POCT示意图［62］

Fig.22 Schematic POCT of Staphylococcus aureus 16S-rRNA based on multiple biotin-labeled DNA probes， side-stream， and smartphone［62］

图23 基于CRISPR Cas12的SARS-CoV-2检测原理图［63］

Fig.23 Schematic diagram of a CRISPR Cas12-based SARS-CoV-2 assay［63］

参考文献 63

1	ZHANG M， YE J， HE J S， et al. Visual detection for nucleic acid-based techniques as potential on-site detection methods. a review［J］. Anal Chim Acta，2020， 1099： 1-15.
2	KAVITA V. DNA biosensors-a review［J］. J Bioeng Biomed Sci， 2017， 7（2）. DOI： 10.4172/2155-9538.1000222.
3	ZHANG L， DING B， CHEN Q， et al. Point-of-care-testing of nucleic acids by microfluidics［J］. TrAC Trends Anal Chem，2017， 94： 106-116.
4	FARKA Z， MICKERT M J， PASTUCHA M， et al. Advances in optical single-molecule detection： en route to supersensitive bioaffinity assays［J］. Angew Chem Int Ed，2020， 59（27）： 10746-10773.
5	MAURER J J. Rapid detection and limitations of molecular techniques［J］. Annu Rev Food Sci Technol，2011， 2： 259-279.
6	DUTTA R， MAKHAIK S， ZHAO P， et al. Colorimetric cotton swab for viral protease detection［J］. Anal Chem，2022， 94（37）： 12699-12705.
7	ZHANG Z， MA P， AHMED R， et al. Advanced point-of-care testing technologies for human acute respiratory virus detection［J］. Adv Mater，2021， DOI： 10.1002/adma.202103646： e2103646.
8	HWANG C， PARK N， KIM E S， et al. Ultra-fast and recyclable DNA biosensor for point-of-care detection of SARS-CoV-2 （COVID-19）［J］. Biosens Bioelectron，2021， 185： 113177.
9	YANG Z， PENG X， YANG P， et al. A Janus 3D DNA nanomachine for simultaneous and sensitive fluorescence detection and imaging of dual microRNAs in cancer cells［J］. Chem Sci，2020， 11（32）： 8482-8488.
10	WANG R， CHEN R， QIAN C， et al. Ultrafast visual nucleic acid detection with CRISPR/Cas12a and rapid PCR in single capillary［J］. Sens Actuators B： Chem，2021， 326： 128618.
11	LONG Y， ZHOU C， WANG C， et al. Ultrasensitive visual detection of HIV DNA biomarkers via a multi-amplification nanoplatform［J］. Sci Rep，2016， 6： 23949.
12	CHEN Y， CHENG N， XU Y， et al. Point-of-care and visual detection of P.aeruginosa and its toxin genes by multiple LAMP and lateral flow nucleic acid biosensor［J］. Biosens Bioelectron，2016， 81： 317-323.
13	VIETZ C， SCHUTTE M L， WEI Q， et al. Benchmarking smartphone fluorescence-based microscopy with DNA origami nanobeads： reducing the gap toward single-molecule sensitivity［J］. ACS Omega，2019， 4（1）： 637-642.
14	DING X， MAUK M G， YIN K， et al. Interfacing pathogen detection with smartphones for point-of-care applications［J］. Anal Chem，2019， 91（1）： 655-672.
15	CHEN H， LI Z， ZHANG L， et al. Quantitation of femtomolar-level protein biomarkers using a simple microbubbling digital assay and bright-field smartphone imaging［J］. Angew Chem Int Ed，2019， 58（39）： 13922-13928.
16	ABDOLHOSSEINI M， ZANDSALIMI F， MOGHADDAM F S， et al. A review on colorimetric assays for DNA virus detection［J］. J Virol Methods，2022， 301： 114461.
17	SARGAZI M， LINFORD M R， KAYKHAII M. Liquid crystals in analytical chemistry： a review［J］. Crit Rev Anal Chem，2019， 49（3）： 243-255.
18	TIAN T， LI J， SONG Y， et al. Distance-based microfluidic quantitative detection methods for point-of-care testing［J］. Lab Chip，2016， 16（7）： 1139-1151.
19	ZHENG C， WANG K， ZHENG W， et al. Rapid developments in lateral flow immunoassay for nucleic acid detection［J］. Analyst，2021， 146（5）： 1514-1528.
20	LIU X， SUN Y， LIN X， et al. Digital duplex homogeneous immunoassay by counting immunocomplex labeled with quantum dots［J］. Anal Chem，2021， 93（6）： 3089-3095.
21	ZHOU X， YANG C T， XU Q， et al. Gold nanoparticle probe-assisted antigen-counting chip using SEM［J］. ACS Appl Mater Interfaces，2019， 11（7）： 6769-6776.
22	ZHOU X， CAO P， ZHU Y， et al. Phage-mediated counting by the naked eye of miRNA molecules at attomolar concentrations in a Petri dish［J］. Nat Mater，2015， 14（10）： 1058-1064.
23	XU H， SHEN J， YANG C T， et al. Naked-eye counting of pathogenic viruses by phage-gold nanobiomaterials as probes［J］. Mater Today Adv，2021， 10： 100122.
24	KIM J H， PARK J E， LIN M， et al. Sensitive， quantitative naked-eye biodetection with polyhedral Cu nanoshells［J］. Adv Mater，2017， 29（37）： 1702945.
25	MCUMBER A C， NOONAN P S， SCHWARTZ D K. Surfactant-DNA interactions at the liquid crystal-aqueous interface［J］. Soft Matter，2012， 8（16）： 4335-4342.
26	LIU Y， YU J. Oriented immobilization of proteins on solid supports for use in biosensors and biochips： a review［J］. Microchim Acta，2015， 183（1）： 1-19.
27	SHEN J， HE F， CHEN L， et al. Liquid crystal-based detection of DNA hybridization using surface immobilized single-stranded DNA［J］. Microchim Acta，2017， 184（9）： 3137-3144.
28	HU Q Z， JANG C H. Liquid crystal-based sensors for the detection of heavy metals using surface-immobilized urease［J］. Colloids Surfaces B，2011， 88（2）： 622-626.
29	YANG， KUN L， LIU， et al. Applications of metal ions and liquid crystals for multiplex detection of DNA［J］. J Colloid Interface Sci，2015， 439： 149-153.
30	TAN H， YANG S， SHEN G， et al. Signal-enhanced liquid-crystal DNA biosensors based on enzymatic metal deposition［J］. Angew Chem， 2010， 46（122）： 8790-8793.
31	YANG S， WU C， TAN H， et al. Label-free liquid crystal biosensor based on specific oligonucleotide probes for heavy metal ions［J］. Anal Chem，2013， 85（1）： 14-18.
32	LIU Y， YANG K L. Applications of metal ions and liquid crystals for multiplex detection of DNA［J］. J Colloid Interface Sci，2015， 439： 149-153.
33	KHOSHBIN Z， ABNOUS K， TAGHDISI S M， et al. A novel liquid crystal-based aptasensor for ultra-low detection of ochratoxin a using a pi-shaped DNA structure： promising for future on-site detection test strips［J］. Biosens Bioelectron，2021， 191： 113457.
34	WANG H， WU T， LI M， et al. Recent advances in nanomaterials for colorimetric cancer detection［J］. J Mater Chem B，2021， 9（4）： 921-938.
35	SUN J， LU Y， HE L， et al. Colorimetric sensor array based on gold nanoparticles： design principles and recent advances［J］. TrAC-Trends Anal Chem，2020， 122： 115754.
36	WOISKI T D， DE CASTRO PONCIO L， DE MOURA J， et al. Anti-hMC2RL1 functionalized gold nanoparticles for adrenocortical tumor cells targeting and imaging［J］. J Biomed Nanotechnol，2017， 13（1）： 68-76.
37	YANG J， NIAN F， GUO Z， et al. Effect of gold nanoparticles with different diameters on rat neural stem and progenitor cells［J］. Nanosci Nanotechnol Lett，2017， 9（10）： 1491-1496.
38	MA X， CHEN Z， KANNAN P， et al. Gold nanorods as colorful chromogenic substrates for semiquantitative detection of nucleic acids， proteins， and small molecules with the naked eye［J］. Anal Chem， 2016， 88（6）： 3227-323.
39	GILJOHANN D A， SEFEROS D S， DANIEL W L， et al. Gold nanoparticles for biology and medicine［J］. Angew Chem Int Ed，2010， 49（19）： 3280-3294.
40	ZHOU W， GAO X， LIU D， et al. Gold nanoparticles for in vitro diagnostics［J］. Chem Rev，2015， 115（19）： 10575-10636.
41	ELGHANIAN R， STORHOFF J J， MUCIC R C， et al. Selective colorimetric detection of polynucleotides based on the distance-dependent optical properties of gold nanoparticles［J］ Science，1997， 277（5329）： 1078-1081.
42	WILSON R. The use of gold nanoparticles in diagnostics and detection［J］. Chem Soc Rev，2008， 37（9）： 2028-2045.
43	LIU P， YANG X， SUN S， et al. Enzyme-free colorimetric detection of DNA by using gold nanoparticles and hybridization chain reaction amplification［J］. Anal Chem，2013， 85（16）： 7689-7695.
44	ZHANG X， MENG H， LIU H， et al. Advances in laboratory detection methods and technology application of SARS-CoV-2［J］. J Med Virol，2022， 94（4）： 1357-1365.
45	SU W， LI J， JI C， et al. CRISPR/Cas systems for the detection of nucleic acid and non-nucleic acid targets［J］. Nano Res，2023， 16： 9940-9953.
46	LI H， XIE Y， CHEN F， et al. Amplification-free CRISPR/Cas detection technology： challenges， strategies， and perspectives［J］. Chem Soc Rev， 2023， 52： 361-382.
47	WU H， CHEN X， ZHANG M， et al. Versatile detection with CRISPR/Cas system from applications to challenges［J］. TrAC Trend Anal Chem，2021， 135： 116150.
48	YUAN C， TIAN T， SUN J， et al. Universal and naked-eye gene detection platform based on the clustered regularly interspaced short palindromic repeats/Cas12a/13a system［J］. Anal Chem，2020， 92（5）： 4029-4037.
49	TATON T A， MIRKIN C A， LETSINGER R L. Scanometric DNA array detection with nanoparticle probes［J］. Science，2000， 289（5485）： 1757-1760.
50	JI H， DONG H， YAN F， et al. Visual scanometric detection of DNA through silver enhancement regulated by gold-nanoparticle aggregation with a molecular beacon as the trigger［J］. Chemistry，2011， 17（40）： 11344-11349.
51	HAO N， LU J， ZHOU Z， et al. A pH-resolved colorimetric biosensor for simultaneous multiple target detection［J］. ACS Sens，2018， 3（10）： 2159-2165.
52	HO N R Y， LIM G S， SUNDAH N R， et al. Visual and modular detection of pathogen nucleic acids with enzyme-DNA molecular complexes［J］. Nat Commun，2018， 9（1）： 3238.
53	ZHOU X， XIA S， LU Z， et al. Biomineralization-assisted ultrasensitive detection of DNA［J］. J Am Chem Soc，2010， 132（20）： 6932-6934.
54	PIAO J Y， PARK E H， CHOI K， et al. Direct visual detection of DNA based on the light scattering of silica nanoparticles on a human papillomavirus DNA chip［J］. Talanta，2009， 80（2）： 967-973.
55	SONG Y， WANG Y， QIN L. A multistage volumetric bar chart chip for visualized quantification of DNA［J］. J Am Chem Soc，2013， 135（45）： 16785-16788.
56	ZHU Z， GUAN Z， JIA S， et al. Au@Pt nanoparticle encapsulated target-responsive hydrogel with volumetric bar-chart chip readout for quantitative point-of-care testing［J］. Angew Chem Int Ed Engl，2014， 53（46）： 12503-12507.
57	WEI X， TIAN T， JIA S， et al. Target-responsive DNA hydrogel mediated “stop-flow” microfluidic paper-based analytic device for rapid， portable and visual detection of multiple targets［J］. Anal Chem，2015， 87（8）： 4275-4282.
58	WEI X， TIAN T， JIA S， et al. Microfluidic distance readout sweet hydrogel integrated paper-based analytical device （muDiSH-PAD） for visual quantitative point-of-care testing［J］. Anal Chem，2016， 88（4）： 2345-2352.
59	TIAN T， AN Y， WU Y， et al. Integrated distance-based origami paper analytical device for one-step visualized analysis［J］. ACS Appl Mater Interfaces，2017， 9（36）： 30480-30487.
60	NAJIAN A B N， SYAFIRAH E A R E N， ISMAIL N， et al. Development of multiplex loop mediated isothermal amplification （m-LAMP） label-based gold nanoparticles lateral flow dipstick biosensor for detection of pathogenic Leptospira［J］. Anal Chim Acta，2016， 903： 142-148.
61	YAO M， LV X， DENG Y， et al. Specific and simultaneous detection of microRNA 21 and let-7a by rolling circle amplification combined with lateral flow strip［J］. Anal Chim Acta，2019， 1055： 115-125.
62	ZHENG X， WANG Y， BU S， et al. Point-of-care detection of 16S rRNA of Staphylococcus aureus based on multiple biotin-labeled DNA probes［J］. Mol Cell Probes，2019， 47（3）： 101427.
63	BROUGHTON J P， DENG X， YU G， et al. CRISPR-Cas12-based detection of SARS-CoV-2［J］. Nat Biotechnol，2020， 38（7）： 870-874.

[1]	夏昉, 许子英, 王赫, 赫玉芳. 基于文献计量的氧化石墨烯特征分析[J]. 应用化学, 2023, 40(10): 1448-1455.
[2]	徐凤州, 唐华英, 刘吴荟, 江怡凤, 李文凯, 陆献海. 水体中铜离子的现场可视化半定量快速检测[J]. 应用化学, 2022, 39(8): 1303-1311.
[3]	黄子珂, 刘超, 付强强, 李进, 邹建梅, 谢斯滔, 邱丽萍. 核酸适配体荧光探针在生化分析和生物成像中的研究进展[J]. 应用化学, 2018, 35(1): 28-39.
[4]	姚倩芳,程文玉,尹梅贞. 基于大环分子的主客体超分子荧光探针[J]. 应用化学, 2017, 34(12): 1344-1354.
[5]	郑秀萍, 乔文强, 王植源. 基于3种荧光化合物检测草酰氯气体的化学发光试纸法[J]. 应用化学, 2016, 33(10): 1203-1209.
[6]	郑秀萍, 乔文强, 王植源. 基于3种荧光化合物检测草酰氯气体的化学发光试纸法[J]. 应用化学, 2016, 33(10): 0-0.
[7]	杨惠宇, 张昊, 徐美玲, 干高龙, 陈克乐, 于源华. 干式生化膜片的制备及其应用[J]. 应用化学, 2015, 32(8): 963-968.
[8]	耿欣, 陈才, 李郭成, 高康莉, 邓兆静, 韩国志. 一种冠醚金属卟啉化合物的合成及其阴离子识别机制[J]. 应用化学, 2015, 32(2): 171-176.
[9]	向东山, 翟琨. 分子信标的构建及其应用研究进展[J]. 应用化学, 2014, 31(01): 11-19.
[10]	龙云飞, 周立萍, 韩明. 可视化测定痕量甲醛的研究[J]. 应用化学, 2009, 26(11): 1349-1352.