核酸信号放大型表面增强拉曼散射(SERS)生物传感平台的构建及其在癌症标志物测定中的应用

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表面增强拉曼散射(SERS)具有光稳定性、无破坏性、单分子水平的超灵敏性和丰富的光谱特性等优点,已成功应用于生物医学、临床诊断、环境监测和食品安全控制等研究领域。基于SERS的生物医学诊断对于早期生物医学监测及术后监控至关重要,尽管各种SERS活性基底可用于生物分子传感,并在生物检测中具有巨大潜力,但是等离子体SERS效应会因为热点分布不均匀、信号分子位置及方向不同、金属纳米颗粒形状的纳米级变化导致增强效应发生非常大的变化,并且这些问题常常会干扰生物检测的灵敏度和准确性。因此,解决这些问题的潜在策略是开发基于等温核酸扩增技术的超灵敏SERS检测。针对上述存在的问题,本文设计了多重信号放大策略,结合多种核酸信号放大方法,利用纳米复合材料,贵金属核壳纳米材料的优异的光学性质,构建了具有高灵敏度,易操作的生物传感平台,具体研究内容包括以下两个方面:(1)引入无酶辅助的目标物循环扩增信号放大策略,能够将基于具有过氧化氢模拟酶活性的DNA酶介导的银溶解反应结合起来用于SERS传感平台的构建,实现癌胚抗原(CEA)的灵敏检测。首先,在抑制链的作用下,发卡结构不会引发下游的链置换扩增,只有在目标物CEA存在下,才可以精准触发无酶的目标物循环放大反应,导致大量可产生催化的血红素/G-四链体DNA酶(hemin/G-quadruplex DNAzyme)的生成,将过氧化氢(H2O2)降解为羟基自由基(·OH)。·OH强大的氧化性会腐蚀银纳米颗粒-碳纳米点(AgNPs-CDs)SERS基底,该SERS基底免去了修饰拉曼信号分子的复杂操作,巧妙地利用了CDs独特的拉曼峰作为检测信号,实现了CEA的灵敏检测。这个基于双重信号放大策略的SERS传感平台简单高效地实现了目标物信号比为1:N的放大效果,检测限为55 pg/mL,为构建具有多重信号放大策略的传感平台提供了新的思路。(2)将级联杂交链式反应(C-HCR)的信号放大策略引入到SERS传感平台中,同时结合酶诱导形成的核壳纳米材料Au@AgNRs作为SERS基底用于构建SERS生物传感平台。首先,将总前列腺抗原(tPSA)的适体链探针设计为一端具有识别抗原能力,另一端可以引发C-HCR的序列。在C-HCR中,两个HCR(一个带有两个发夹结构,另一个带有四个生物素修饰的发夹结构)耦合在一起,从而形成了长度超过200 nm并具有鞭炮形状的超支化DNA纳米结构,这一等温核酸扩增结构可供超过四亿个链霉亲和素修饰的碱性磷酸酶(SA-ALP)结合。SA-ALP催化2-磷酸-1-抗坏血酸三钠盐(AAP)产生抗坏血酸(AA),AA会还原硝酸银(AgNO3)生成银单质沉积在金纳米棒(AuNRs)上,形成具有出色信号放大能力的SERS底物Au@Ag核-壳纳米结构。鉴于这些优点,开发的方法实现了tPSA的超灵敏检测,检测限低至0.94 fg/mL。并且还成功实现了临床患者血清样品的检测,与临床测试结果一致,表明在临床应用中可能具有巨大的潜力。综上所述,在本研究中,我们利用等温核酸扩增技术作为高效的辅助信号放大策略,借助具有优异性能的纳米材料,构建了简单、灵敏以及高效的SERS生物传感平台,实现了癌症标志物的超灵敏检测,为癌症病人的术前筛查,术中监测,术后预控建立了基础。
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