综述：用于多重检测和成像的荧光编码条形码：原理、策略与前景

荧光编码条形码通过光谱、寿命、空间模式等维度实现多路检测，结合量子点、上转换纳米颗粒等新型荧光材料，并整合多模态策略提升信息密度，在生物分析中展现高效、高精度的应用潜力。

作者：戴文豪、宗梦洁、张彤彤、张帆、董海峰、张学军

北京科技大学化学与生物工程学院生物工程与传感技术重点实验室，中国北京100083

摘要

随着对高通量生物分子分析需求的不断增加，多重化技术已成为大规模生物研究的强大而高效工具。在各种策略中，荧光编码条形码因其高灵敏度、优异的生物相容性和并行分析潜力而受到特别关注。本综述系统而全面地介绍了荧光编码条形码，重点讨论了其设计原理、编码和解码策略以及应用。首先，我们总结了构成荧光条形码系统的各种荧光编码器及其宿主材料，强调了它们在实现多重分析方面的优点和局限性。接下来，我们探讨了荧光条形码的编码维度——包括荧光光谱、荧光寿命、空间模式和偏振——并强调这些参数可以单独或组合使用，以显著提高编码能力和分析通量。此外，我们还研究了将荧光编码与其他编码模式结合的多模态编码策略的最新进展，以进一步扩展多重化潜力。然后，我们探讨了多维荧光编码条形码在多重检测和成像中的应用，特别是其在复杂生物系统中的性能。最后，我们对当前面临的挑战和未来机遇提出了批判性观点，旨在推动下一代荧光编码技术的发展，以实现高通量生物分析和精准诊断。我们期望这一全面总结能为致力于推进多重检测和成像领域的研究人员提供有价值的参考。

引言

在快速发展的生命科学和精准医学领域，对能够快速、准确和高通量检测生物分子（如基因和蛋白质）的分析技术需求日益增加[1]。高通量分析方法的出现极大地加速了对生物系统的系统性和大规模探索，使得可以同时检测和量化大量生物分子，从而获得全面的生物学见解。例如，蛋白质组学中的高通量质谱技术能够识别和量化数千种蛋白质及其翻译后修饰，从而揭示蛋白质表达动态和功能变化[2]。同样，转录组学中的高通量测序技术可以对基因表达谱进行全局分析，提供关于基因调控网络的见解[3]。在代谢组学中，基于色谱-质谱的高通量技术能够定量分析细胞代谢物，反映组织和细胞的代谢状态[4]。这些方法不仅提高了研究效率，还为疾病诊断、药物发现和个性化医疗提供了不可或缺的支持[5][6][7]。尽管取得了这些进展，但目前的高通量分析技术仍面临一些固有的限制，包括复杂的样品制备、漫长的分析时间、高昂的操作成本、数据处理负担以及基质干扰[8]。这些挑战凸显了迫切需要创新策略，以实现高效且多重的生物分子分析，并提高精度和可扩展性。

为此，已经开发了多种编码技术——如图形编码、化学编码、物理编码、荧光编码、磁共振散射（SERS）和光子晶体编码——用于核酸、蛋白质和其他生物分子的多重检测和成像[9][10][11][12][13][14][15]。其中，荧光编码因其简单性、灵活性、快速解码速度和高编码能力而成为一种特别有前景的方法[16]。传统上，荧光编码条形码是通过混合不同的有机染料来生成可区分的发射光谱而构建的[17]。随着材料科学和光子学的快速发展，各种先进的荧光材料——如量子点（QDs）、镧系掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）和聚集诱导发射荧光团（AIEgens）——已被开发为下一代编码元素[18][19][20][21][22]。这些材料具有窄发射光谱、长荧光寿命和优异的光稳定性，使其成为传统有机染料的理想替代品。除了光谱编码之外，越来越多的信号分析维度——包括荧光强度比、基于几何形状或模式的编码以及荧光寿命编码——进一步扩展了可区分条形码的范围[23][24][25]。因此，具有可调尺寸、形状和发射特性的荧光编码条形码已成为高度多重化的生物检测和成像的强大工具。

本综述全面系统地总结了荧光编码条形码的最新进展（图1）。首先，我们讨论了条形码制备中常用的荧光编码器及其宿主材料，特别强调了它们的编码机制和制备策略。接下来，我们总结了多维荧光编码的进展，分析了不同编码维度的优点和局限性。然后，我们重点介绍了将荧光编码与其他编码模式结合的多模态编码系统的发展，以指数级提高多重化能力。我们还总结了解码技术，该技术决定了可实现的信息维度。此外，我们回顾了荧光编码条形码在核酸和蛋白质的多重检测和成像中的应用。最后，我们讨论了这一快速发展领域当前的挑战和未来机遇，旨在为设计和开发下一代荧光编码系统提供启示，以应用于生物和临床领域。

部分摘录

荧光编码条形码

荧光编码条形码是一类独特的条形码系统，它们利用荧光信号作为信息编码和识别的基础。凭借其可调的光学特性、高灵敏度和结构多样性，它们在基础研究以及生物分析、诊断和成像的实际应用中具有巨大潜力。通常，荧光编码条形码是通过荧光编码器的协同集成构建的

荧光编码的维度

荧光编码条形码是一种先进的标记和识别技术，包含多个维度（表3）。荧光光谱编码根据波长和强度的比例区分不同的目标，从而实现多重检测，并大大提高了检测的多样性和效率。荧光寿命、相位角和序列的时间编码构成了另一个重要的类别。这种方法利用了荧光信号的时间特性

荧光编码与多模态策略的结合

荧光编码最终依赖于利用荧光信号的信息，包括波长、强度、寿命、相位角和偏振。然而，荧光编码面临一些限制，这些限制显著影响了其编码能力。除了荧光编码之外，还有几种基于其他信号的编码模式可以为编码库增添更多活力[10][307][308][309][310]。通过结合这些模式

解码

荧光编码仅完成了编码信息的写入，而解码过程是决定实际多重化能力的关键瓶颈[233]。光谱重叠、强度漂移、寿命混叠和背景噪声都会在解码阶段产生影响，任何算法灵敏度或硬件通量的不足都可能将理论编码能力从数千降低到几十。因此，编码过程提供了一个潜在的上限

荧光编码的多重检测和成像

荧光编码条形码已广泛应用于各个领域，不同的编码维度和粒子尺寸使得多重检测和成像更加稳健[28][179]。在典型的工作流程中，条形码首先用特定的探针（如分子信标、适配体或抗体）进行功能化，以确保与多个目标分析物选择性结合。在多重检测过程中，每个条形码携带独特的荧光信号组合，从而实现荧光

结论与展望

荧光编码条形码已成为一种多功能且强大的多重检测和成像平台。通过将荧光编码器与合适的宿主结构结合，这些条形码可以在单个粒子内实现最大的信息密度。有机染料、量子点（QDs）、镧系掺杂的上转换纳米颗粒（UCNPs）和聚集诱导发射荧光团（AIEgens）因其高光稳定性、窄发射光谱、高量子产率和生物相容性而被广泛使用。选择合适的宿主材料同样至关重要

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。

致谢

我们衷心感谢国家自然科学基金（22204004）对这项研究的支持。