导语
上转换发光材料是一类稀土元素构成的、具有特殊发光性质的物质，在先进制造领域有着广泛的应用。目前我国研发的上转换发光技术具有自主知识产权，拥有多项行业发明专利且优于国际上现有的现场快速定量检测技术平台，具有高灵敏性、高稳定性和简易性三大独特优势，已服务于公共安全多个场景，成功实现了产业转化及多领域应用。
上转换发光技术（UPT）是基于上转换发光材料（UCP）发展而成的一种新型纳米稀土材料的标记技术。UCP 因具有这种独特的性质，其作为标记物用于生物分析时，具备了无本底干扰和无猝灭的特征，并且适于生物靶标的多重和定量分析，与传统标记物相比其具有明显的优势。UPT 可用于免疫和基因分析与研究、高通量药物筛选、微阵列、外科手术组织成像、食品安全相关因子和环境因素的检测，以及生物恐怖防御检测等多个领域。
我国的上转换发光技术国际领先
美国早在 1995 年就开始探索上转换发光技术（UPT）在生物检测中的应用，但由于受到上转换发光材料粒径越小发光效率越低特性的制约，至今仍停留在技术研发阶段。虽然采用直径 400 nm的亚微米颗粒作为示踪物实现了免疫层析检测的目标，但限于颗粒直径较大，在层析中会造成严重的空间位阻，无法实现多重检测；同时，由于定量精度难以控制，也无法实现工业化生产。欧洲的研究也遇到了类似问题，至今也是处于研发阶段。
我国军事医学研究院的研究团队不局限于上转换发光材料本身特性的探索，而是以生物应用效果指导示踪物的研究，通过优化稀土元素组成、配比、晶体生长动力，制备出不同元素构成、不同大小的上转换发光颗粒，构建了上转换发光材料的量化评价体系。在国际上首次创建了上转换发光纳米免疫层析技术体系，可在现场条件下15 min内，对全血、尿、便，甚至腐败脏器中 20 种靶标进行快速定量检测，实现了定量免疫层析现场即时检验（POCT）技术的一次飞跃。
UPT-POCT在临床检验医学中的应用
上转换发光即时检验（UPT-POCT）技术具有检测灵敏度高、操作简便和检测速度快等优势，作为新一代精准定量快速检测技术，已成功应用于临床内科检验、急诊检验和战创伤感染诊断等多个检验领域。例如，基于UPT-POCT 技术平台，国内企业已先后成功开发出 5种肝纤维化体外诊断试剂盒，包括：血清透明质酸、层粘连蛋白、Ⅳ型胶原蛋白、Ⅲ型前胶原氨基端肽和血清组织金属蛋白酶抑制因子-1的测定试剂盒。UPT-POCT 技术及其诊断产品的出现使肝癌高危人群的肝纤维化、肝硬化早期筛查和诊断得以实现，且有效避免了肝组织活检造成的创伤痛苦和其无法普及的缺点。
UPT-POCT 在食品安全检测中的应用
我国每年由食源性致病微生物引起的食物中毒人数约占各类食源性疾病患病总人数的 40%～60%，食品安全相关微生物是影响食品质量和安全的主要因素。UPT-POCT 具有高敏感性、高特异性、高稳定性、零背景干扰、操作简单等特点。只需掌握一套处理流程即可完成多种致病微生物的检测。UPT-POCT 食源性致病菌的增菌时间仅为 6～24 h，简单处理样本和定量的检测时间小于 20 min，其检测周期远远小于国标检测标准的 3～7 d，提高了食品安全执法检测的时效性，并且结果具有很好的可溯源性。
目前，多达 17 种常见的食源性致病微生物 UPT-POCT 因其快速和便捷等特性而适用于基层食品安全相关致病微生物的筛查和现场快速检测。
UPT-POCT 在生物反恐和安全领域的应用
UPT-POCT 整合了免疫层析、上转换发光和便携式生物传感器的所有优点，非常适用于对生物恐怖剂的现场检测，具有结果可靠、样品耐受性强、安全性高、耗时少、便捷、操作简便的优点。
目前 UPT-POCT 检测生物恐怖剂的项目已覆盖了细菌、病毒和毒素等方面。主要通过判断检测靶标分子的大小予以确定。对于生物类大分子检测靶标，主要通过双抗体夹心法进行检测；而对于小分子检测靶标，则选用竞争检测法。此外，还有类似于双抗体夹心模式的双抗原检测模式，主要应用于抗体类大分子的检测。
UPT-POCT 在口岸检验检疫领域的应用
口岸检验检疫主要职能是严格把控风险较大的传染病在国境口岸间的传播，保障人员健康和正常的国际贸易。口岸检验检疫领域涉及的人员多、种族多、检疫时间短、疾病种类多。除常规对人员、动植物和食品进行卫生检疫和行政执法外，还需要进行传染病监测、应对突发公共卫生事件和核生化恐怖袭击。
基于上转换发光技术开发的试剂盒的原理类似于胶体金免疫层析检测，但因上转换发光颗粒的优越性使其更具有耐受性。目前，寨卡病毒 IgM 抗体、鼠疫耶尔森菌、抗鼠疫耶尔森菌抗体和埃博拉病毒检测试剂盒已在多个地方的出入境检验检疫局使用。
UPT-POCT 在公共卫生领域的应用
当发生突发公共卫生事件后，通常需要先将样本运送到实验室再进行常规生物检测，而运输过程和检测过程均会耗费大量时间，不能及时反馈相关信息。与常规实验室检测技术相比，POCT 技术具有检测速度快、操作简单、对操作人员专业性要求低等特点，能够辅助现场检测人员在最短时间内提供相关病原的检测报告，从而为决策部门提供重要的参考依据。
基于 UPT-POCT 技术及诊断试剂，可在 15 min 内完成对鼠疫耶尔森菌、布鲁氏菌、炭疽杆菌、类鼻疽伯克霍尔德菌、土拉弗朗西斯菌、蓖麻毒素、相思子毒素、甲型流感病毒、乙型流感病毒、寨卡病毒和埃博拉病毒等重要致病菌与病毒的检测。其还可用于多种类型样本的检测分析，包括强酸、强碱、高黏度样本、粉末样本及动物脏器样本等，能基本满足突发公共卫生事件现场检测的需求。
上转换发光即时检验历时 12 年实现产业化
UPT 包括检测标志物和检测技术两个关键环节，二者缺一不可。UPT 最先在美国开展研究，由于得不到独特的上转换发光材料，我们的研究计划不得已一拖再拖。直到 2000 年，本人意外收到一封寻求上转换发光颗粒生物研究领域应用合作的信函。在信中，上海科润光电技术有限公司自荐他们能够制备这种颗粒。随即，我们着手开始研究颗粒的化学修饰及其与生物分子的连接。同时，我们还联系中国科学院上海光学精密机械研究所在生物传感器领域具有丰富经验的黄惠杰研究员，进行光机电、软件技术与UPT-POCT的结合。在材料、化学、生物和生物传感多领域合作的基础上，通过 7 年的研究，终于使 UPT-POCT 成为一种成熟的实验室技术。接着我们联合做诊断原材料和检测试剂的北京热景生物技术股份有限公司开展了产业化合作，历经 5 年，突破了多个技术瓶颈，最终成功实现了产业化。
有幸的是，我们这个多学科交叉团队始终以“促进 UPT-POCT 产业化”为目标，不计个人得失，前后历时 12 年，没有因为经费、技术保密、个人名利等问题而发生过研究搁置。在将技术转化为产业的过程中，企业投入大量人力、物力和财力，没有因为反复失败而畏缩不前。因此，以共同目标为导向的精诚合作是重要保障。
——军事医学研究院 杨瑞馥
主编简介
杨瑞馥，博士, 军事医学研究院研究员，国家杰出青年科学基金获得者，973项目首席科学家。从事细菌进化溯源、致病机制、微生物组和健康，以及检验新技术的研究。在NEJM，Science，Nat Genet，Cell Metabo等杂志发表论文300余篇，被引27 000余次，H-index 72。任中国微生物学会工作委员会和中国营养学会益生菌益生元与健康分会主任委员。“基于稀土纳米上转发光技术的即时检测系统创建及多领域应用”研究成果获国家科学技术发明奖二等奖，并转化。
本文根据《基于上转换发光技术的快速检测技术：原理与应用》杨瑞馥主编一书内容改编，如有问题可联系本书编辑李悦：liyue@mail.sciencep.com，010-64000637。
