什么是微流控SERS芯片生物传感?-汶颢股份
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什么是微流控SERS芯片生物传感?

在生物检测应用中,拉曼光谱SERS(surface-enhanced Raman spectroscopy,SERS)逐渐发展成为一种最常用的多功能方法之一。与其他传统的生物检测手段相比,SERS检测突出的优点包括极窄的峰宽、高灵敏度多元检测能力和较宽的动态范围等。构建功能化的SERS探针是SERS生物应用中的一个重要前提。一般而言,在SERS基底上修饰拉曼分子和特定的生物靶向分子就可以获得面向生物传感应用的SERS光学探针。围绕SERS探针进行的生物传感与检测成为当今研究的热点之一。

设计该类探针时要考虑到以下几个方面:SERS活性,靶向效率, 纳米结构及光学特性的稳定性及多元检测能力等。为实现特定的生物探测功能,通常会在SERS探针的表面修饰特定的生物靶标分子,如抗体、DNA等。已有报道中,典型的SERS探针结构如 5所示。Feng Jingjing等人将金纳米粒子通过DNA适体连接在金纳米棒两端制成探针,利用在金纳米粒子与金纳米棒之间非常狭窄的缝隙极强的电磁增强得到显著的初始SERS信号( 5(a))。连接二者的适体同时可以作为识别分子与待测物BPA反应而使金纳米粒子从纳米棒上脱离,导致SERS信号的减弱。故这里的SERS信号强度与待测物的浓度成反比关系。

类似的结构还有在金纳米星外通过适体DNA连接银纳米粒子而形成卫星型复合结构,其中DNA适体的优点之一是提高了对待测物的靶向性。Shi Huayi等人设计了一种基于适体的探针( 5(b)),可以特异性的识别待测物ATP并形成环状的复合物,从而使一开始与其杂交的两条单链DNA分离,最终导致修饰的两个拉曼分子的SERS信号产生差异而形成SERS比率计型探针。由于靶标分子要识别待测物而使探针整体暴露在环境中,增加了环境中的分子对探针信号影响的风险。Jiang Tao等人在银纳米粒子外包裹一层介孔硅,再在硅壳上吸附一层银纳米粒子形成三层的复合结构,在保证SERS信号强度的前提下提升了探针的稳定性( 5(c))。

示意图 

5 (a) 基于金纳米粒子-金纳米棒复合体检测BPA的SERS适体探针示意图;(b)检测ATP的SERS比率计硅片适体探针示意图;(c)银@介孔硅@银三层核壳结构纳米粒子制备流程示意图;(d)合成19种SERS编码纳米粒子的编码、结构及光谱

在合成出功能化的SERS探针之后,即可利用它们进行目标物的检测。常见的待测物包括DNA、蛋白质、细胞、药物、离子等。DNA作为一种生物标记物在一些疾病诊疗上扮演着重要的角色,而Fu Xiuli等人就选取了HIV-1 DNA作为目标物并设计了侧向流(LF)条带实验来定量检测分析( 6(a))。侧向流条带被认为是一种出色的现场护理诊断工具,其与SERS的联用可以解决低浓度检测等问题,也证明了SERS可以与很多平台兼容互补。在肿瘤标志物的检测中,蛋白质尤其是抗原的检测占据了很大的比例。

Liguang等人利用DNA适体将银纳米粒子组装成金字塔结构作为SERS探针,可以检测前列腺抗原(PSA)、凝血酶和粘蛋白三种目标分子( 6(b))。除了小分子的生物标志物,细胞也是SERS进行生物检测的目标之一。Nagappanpillai等人将荧光染料BODIPY当作拉曼分子制成SERS探针并用于检测肿瘤细胞( 6(c)),这种纳米探针的识别效率非常高并且可以进行细胞成像。我们研究组在SERS的生化检测方面也做了大量的研究工作,例如端粒酶活性检测、蛋白质免疫检测、汞离子检测、农药检测等。其中,端粒酶的长度检测实验中用着丝粒的SERS强度作为内标排除其他因素对SERS信号的影响,用端粒酶与着丝粒探针强度的比来确定端粒酶长度( 6(d))。这种SERS原位杂交(in situ hybridization)的灵敏度非常高,可以实现单个端粒酶的检测。

实验结构示意图 

6 (a) A:实验结构示意图。B:基于SERS的侧向流条带实验定量检测HIV-1 DNA的检测原理。(C为对照组,T为实验组);(b)银纳米金字塔由DNA框架自组装SERS分析生物标志物示意图。C:通过外泌体、磁球和SERS探针间免疫识别形成的三明治结构;(c)利用BODIPY修饰的纳米粒子SERS成像示意图;(d)SERS探针与基因组DNA的杂交原理示意图

此外,利用SERS光谱十分窄的特点,人们提出了基于SERS的光谱编码技术,生成的光谱码可以用于多元待测物的同时检测。我们提出了一种波长-光强双编码的SERS探针( 5(d))。利用3种拉曼分子的光谱以及强度两类不同信息的组合,可得到多达19种不同的SERS光谱。Lai Yuming等人选了5种拉曼分子进行编码制成SERS探针并用PS微球装载( 7(a)),获得了31种不同光谱编码的PS球。值得注意的是,将SERS光谱与其他光学手段结合可以显著提高可编码容量。例如,我们提出了一种SERS-荧光共编码的光学编码新方法(SFJSE),并利用有机-金属-量子点复合纳米结构构筑了一类SFJSE光学编码微球作为探针( 7(b))。这种SFJSE编码方案借助荧光-SERS联合光谱拓展了可编码光谱的有效范围,与传统单一荧光信号编码方法相比,可编码数量获得了指数级增长。此外,通过不同种编码分子错层分布的策略简化了编码微球的设计方案,并大大减轻了信号串扰、制备复杂等问题,对于获得大编码容量的微球具有积极意义。

硅壳金纳米粒子探针的SERS 

7 (a) A:硅壳金纳米粒子探针的SERS光谱(左)及拉曼分子的分子结构(右)。B:使用不同拉曼分子的SERS标签典型的拉曼光谱(左)及相应的编码(右)。(b)合成的15种纳米粒子的构成、光谱和编码

除了高通量检测本领之外,基底对拉曼散射信号的增强作用使得SERS具有与荧光相当的检测灵敏度。因此,SERS技术在生物传感的应用中展现出了优异的检测性能。另一方面,SERS检测技术也有局限性。比如,SERS检测的步骤相对繁琐以及可重复性相对较低等。因此,开发高效、可重复、自动化的SERS检测技术成为推广SERS实际应用时亟待解决的问题之一。近年来迅速发展的微流控芯片技术为人们提供了一种很好的解决方案。

 

文献来源中国光学DOI: 10.3788/CO.20181103.0513

作者:王志乐, 王著元, 宗慎飞, 崔一平

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