多因子生物检测，即在复杂生物样本中同时检测一系列目标物，对于分析生物反应和过程、疾病诊断等方面都比单因子检测有着明显的优势，并对人类健康问题和生命科学的发展有着重要意义。而针对目前多因子检测领域还存在的一些关键性的问题，例如如何增加可分辨的信号数量用于待测物编码、如何提高整个体系的检测性能以满足所有待测物的检测灵敏度要求以及如何简化检测流程以降低时间和人力成本等，从设计和控制微纳米材料的结构和性能入手可以提供有效的解决方案。近日，复合材料研究所李万万研究员联合电子信息与电气工程学院崔大祥教授及新加坡国立大学陈小元教授等人在国际著名学术期刊《Advanced Materials》上以Frontispiece的形式发表了题为“Functional Micro-/Nanomaterials for Multiplexed Biodetection”的综述论文。

该综述从分析体外多因子检测领域的三大关键性问题入手，系统地讨论了如何通过设计和调节功能微纳米材料的结构和性能来为这些难题提供解决方案。体外多因子检测领域的关键问题之一为实现可分辨的编码信号并构建足够大的编码库。编码库中可分辨的编码信号数量直接决定了多因子检测同时能检测的目标物数量的上限。为了克服传统有机荧光染料编码信号数量有限的缺点，从发展新型光学信号编码材料和发展具有不同维度的编码信号的材料两个角度都可以为解决这一问题提供新思路。新型光学信号编码材料包括：基于量子点荧光信号、拉曼信号、发光寿命、光反射、光散射以及图案等编码材料；其他维度的编码信号包括：电化学、元素含量以及信号空间位置等。

关键问题之二为提高多因子检测性能。因为必须同时检测具有不同检测限的多个目标，而多目标之间可能存在干扰等相互作用，所以多因子生物检测的灵敏度要求往往高于单因子检测。 提高检测灵敏度的方法主要有两种：一是提高信号值，二是降低背景噪声。通过聚合物基/硅基微纳米材料负载更多的信号分子这一颗粒增强信号策略可以提高每个检测事件的报告信号强度从而提高信号值；而通过材料结构和性能的调控并结合金属增强荧光、表面增强拉曼散射等效应同样可以提高单个检测事件标记物的本征报告信号强度，也可以提高检测信号。 运用具有化学发光、上转换发光、时间分辨荧光或者磁分离功能的微纳米材料在体系中能够降低整个体系检测的背景噪声，提高信噪比，从而改善检测性能。

关键问题之三为简化工作流程从而实现快速检测。在体外检测领域，具有简化工作流程的快速检测，不仅可以缩短检测时间，降低仪器和人力成本，而且可以大大降低复杂过程中发生意外错误的风险，从而提高了检测的准确性和可靠性。而这一问题的解决策略又可以分为肉眼信号判读、免洗检测、免标记检测和便携式设备集成检测。除了上述讨论的三个关键问题之外，纳米技术、材料化学和材料制备结合人工智能技术及高性能计算进一步深入发展也是重要的方向之一，并且多因子检测领域综合了材料、化学、生物、电子和机械等多个学科，需要各个学科的高度合作。随着更精细的材料设计和更优越的检测平台在多因子生物检测领域不断涌现，这些技术将有效促进疾病预防和诊断、各种“组学”的持续发展以及个性化医疗的实现。

博士研究生刘心怡为论文第一作者，李万万研究员、崔大祥教授和新加坡国立大学陈小元教授为论文的共同通讯作者。相关工作得到了国家重点研发计划纳米专项、国家自然科学基金面上项目和上海市科委基金项目等的资助。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/adma.202004734