快速高通量检测技术是各种新研究技术最需要的方法。例如单细胞中各种基因表达的分析方法，给细胞学研究带来了革命性的推动效果，随着研究的深入，这类技术可能会颠覆许多生物学概念。这方面技术专家仍然在不断探索新策略。最近《科学》介绍了斯坦福大学学者发表在NC上的研究论文，该论文报道了利于光学方法进行高通量核酸分析的技术。

Rapid genetic screening with high quality factor metasurfaces | Nature Communications

快速 COVID-19 检测让许多人对快速廉价诊断的价值有了第一手的了解。现在，研究人员已经展示了如何同时进行数千次快速分子筛选，使用光来识别被困在一系列微小硅块上的目标分子。从理论上讲，该工具可用于在一平方厘米的空间中发现16万个不同的分子。该技术旨在发现SARS-CoV-2病毒和其他传染性生物的基因片段，还应该能够识别癌症的蛋白质标记物和标记环境中有毒威胁的小分子。

“这项技术可以在我们如何检测环境中的事物方面发挥重要作用，”分子生物学家，蒙特利湾水族馆研究所总裁兼首席执行官Chris Scholin说。他补充说，该工具也可能用于临床诊断，尽管它已经广泛使用了几种竞争技术。

基因检测并不是什么新鲜事。这些技术中的大多数依赖于测量探针分子的光吸收或发射，这些分子被定制为锁定目标基因。但是，为了产生足够大的信号来检测，大多数技术都依赖于PCR等放大技术，在尝试检测目标之前产生靶标的许多拷贝，从而增加了测试的成本和时间。

研究人员已经设计了各种更敏感的技术。“但是以前的传感器无法检测到广泛的目标分子，”从非常低的丰度到非常高的丰度，斯坦福大学应用物理学家Jennifer Dionne说。

为了解决这些问题，Dionne和她的同事转向了一种光学检测方法，该方法依赖于超表面，微小的硅盒阵列 - 每个大约500纳米高，600纳米长，160纳米宽 - 将近红外光聚焦在其顶部表面上。这种聚焦使简单的光学显微镜可以轻松检测来自每个硅块的光波长的变化，这取决于位于顶部的分子。

为了验证这个想法，研究人员将单链基因片段22个核苷酸长拴在硅盒上，并将阵列浸入缓冲溶液中。当他们将互补的DNA链添加到溶液中时，这些链迅速与系留的DNA链结合，从而改变了从每个盒子表面发出的光的波长。Dionne和她的同事报告说，他们的设置可以检测到每微升仅存在4000个靶基因拷贝，这是他们上周发表在Nature Communications上的研究结果。

这是感染SARS-CoV-2的人的鼻腔样本中通常存在的浓度。因此，该技术可以让医生检测病毒感染，而不必首先扩增患者的遗传物质，Dionne说。她指出，也许同样重要的是，可以设计一个阵列来揭示有多少靶DNA结合，从而可以在几分钟内不仅检测出是否存在特定病毒，而且检测感染的强度。这些信息可以帮助医生定制他们的治疗方法。目前的测试也可以做到这一点，但它们通常需要几个小时来扩增遗传物质并量化结果。

Scholin认为，这项技术可以在实验室或医生办公室外的分子追踪中找到更直接的广泛使用。例如，环境科学家目前使用基因探针来检测水道中的有毒藻类。但这通常需要额外的处理步骤来扩增靶基因，然后测试它们的丰度，这可能需要数小时甚至数天的实验室工作。

在这种情况下，新技术的速度可能会改变游戏规则，Scholin说。他说，另一个诱人的选择是将抗体系在硅盒的顶部。这可能使研究人员能够直接获取相应的抗原，无论是毒素还是疾病的蛋白质标志物。他希望利用斯坦福团队的探测器，看看他们是否可以直接在飞行中检测到水中的微生物毒素。“这将对人类、生态和野生动物产生真正的影响，”他说。

Dionne和她的同事成立了一家名为Pumpkinseed Bio的公司，将他们的新检测器商业化，专门用于检测微小水平的蛋白质和其他分子，这些蛋白质和其他分子不容易扩增，使它们更容易检测。而且由于只需要少量的硅块来发现单个目标分子，研究人员应该能够制作阵列来同时跟踪多种疾病生物标志物。“我们希望同时研究许多疾病状态，”Dionne实验室的前研究生兼新创业公司的负责人Jack Hu说。“这就是愿景。”

基因筛查方法在生物体和生态系统健康的预测、检测、治疗和监测方面取得了重大进展。例如，呼吸小组识别指示流感和 2019 年冠状病毒病 （COVID-19） 等传染病的病原体核酸1，2;组织和液体活检可检测癌性基因突变和复发的可能性，并用于指导治疗3，4;新兴的环境DNA传感器监测海洋、淡水、牲畜、土壤和空气的健康状况5，6.目前的遗传筛选方法包括聚合酶链反应（PCR），下一代测序（NGS），Sanger测序和DNA微阵列。每种方法都利用寡核苷酸扩增，然后进行光学标记来灵敏地检测靶序列。尽管它们在实验室环境中具有巨大的实用性，但这些筛选方法在临床和即时护理应用中的转化最终受到它们对“传统”光信号转导（吸收和荧光）的依赖的限制。即使使用最好的光学标签，通常也只能通过耗时的热循环和/或昂贵的核酸扩增试剂才能获得灵敏和特异性读数。

基于纳米技术的生物传感器有望为快速和可扩展的生物分子检测提供新的平台，而无需生化扩增或靶标标记。小型化电子和光学器件由于其对电场和磁场的纳米级控制而提供了更高的灵敏度，并且由于它们与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容，因此具有可扩展的多路复用的潜力。例如，场效应晶体管（FET）生物传感器测量由于分子结合事件引起的表面电位变化7，8，9，而分子隧道结传感器测量隧道电流的变化10，11，12.这些传感器在飞摩尔检测限下实现了超高灵敏度，但在生理相关离子介质中可靠地测量样品仍然是一个挑战。 

作为电子传感器的补充，光子传感器承诺在真实样品中具有高度并行化和更强大的读数。光子器件不是放大或复制生物标志物，而是强烈地限制和放大电磁场;当用分子探针装饰时，目标分析物结合会由于谐振器环境的极化率或折射率的细微变化而改变光信号。谐振器的感测品质因数（FOM）通常定义为灵敏度（每个折射率单位（RIU）变化的谐振波长偏移）除以模式的半峰全宽（FWHM）。等离子体传感器是最常见的基于亲和力的生物传感器之一13，14，15，16，17 .这些金属结构表现出小模体积和类似偶极子的散射，但通常只能达到约1-10 RIU的FOM值−1，由于低质量因素（Q）受到金属固有吸收（Q~10）的限制。此外，由于吸收，这些基于金属的结构会导致样品加热，从而降解生物分子。

 最近，基于超表面的传感器被设计为Q因子为10-100，在FOM方面也有类似的改进。票价：18，19，20，21，22，23，24，25，26，27，28，29.与高 Q 值耳语画廊模式谐振器不同30，31，32和光子晶体微腔器件33，34，这些超表面可以从自由空间照射，并且可以轻松控制远场散射，这是传感器在基于成像的设备中的可扩展性和集成的优势35.然而，这些系统通常依赖于使用由扩展二维阵列形成的离域谐振模式来改善Q因子;由此产生的大模态体积减少了对少量靶分子结合的反应。此外，这些阵列的占位面积更大 （ > 100 x 100 um2）限制了多重分析物检测和数据驱动分析的传感元件的密集结合。

 在这项工作中，我们报告了一个基于我们实验室开发的高质量因子超表面的快速且无标记的遗传分析平台。36.这些超表面由亚波长纳米天线组成，可强烈限制近场中的光线，同时提供对远场散射的精确控制。我们设计的谐振器在缓冲生物介质中表现出2，200的高平均Q值，对周围环境具有很强的场穿透力，可用于灵敏的生物标志物检测。由于高Q谐振的空间定位，单个传感像素的密度可以超过每厘米160，000个特征2，有望跨多种生物标志物进行检测并行化。我们使用与SARS-CoV-2 E和ORF1b基因序列互补的自组装单层DNA探针对共振器进行功能化。我们的传感器可在样品引入后 22 分钟内快速灵敏地检测出微摩尔到飞摩尔浓度的 5 聚体基因片段。我们进一步展示了临床鼻咽洗脱物中的高特异性分子筛选，验证了我们的传感器平台在快速、灵敏和特异性检测靶基因方面的临床适用性。