福建物構(gòu)所在基于SERS光譜的可穿戴生物智能傳感取得進(jìn)展

　　【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】表面增強(qiáng)拉曼光譜(surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS)是一種具有單分子檢測靈敏度的分子指紋光譜技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)分析、催化機(jī)理研究、環(huán)境與食品安全現(xiàn)場快檢等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用前景。最近，中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所(廈門稀土材料研究中心)張?jiān)普n題組利用前期發(fā)展的三維表面增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，在生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域取得了重要進(jìn)展：(1)通過發(fā)展可穿戴手性SERS傳感微流控貼片，實(shí)現(xiàn)了人體汗液中手性代謝物的實(shí)時(shí)非侵入監(jiān)測，為精準(zhǔn)醫(yī)學(xué)提供了技術(shù)支撐(Small 2025,21,2500770. https://doi.org/10.1002/smll.202500770)。(2)通過構(gòu)建三維雙功能柔性納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)細(xì)胞凋亡過程中胞外釋放細(xì)胞色素C空間分布的原位監(jiān)測，并驗(yàn)證了該技術(shù)在活體腫瘤治療效果評估中的潛在應(yīng)用價(jià)值。
 

　　(1)手性是自然界的本質(zhì)屬性，在生命起源、發(fā)展中起著關(guān)鍵作用。若干手性代謝小分子已經(jīng)成為癌癥等疾病監(jiān)測的重要生物標(biāo)志物。目前，臨床中手性代謝分子的檢測需對血液等樣品進(jìn)行前處理，并依賴手性高效液相色譜等方法實(shí)現(xiàn)對映體的定量分析。然而，此類常規(guī)方法由于耗時(shí)長、通量低等缺點(diǎn)，限制了手性代謝小分子在個(gè)性化診療中的應(yīng)用價(jià)值。
 

　　針對上述問題，張?jiān)普n題組發(fā)展了一種可原位實(shí)時(shí)定量分析人體汗液中手性代謝分子的可穿戴汗液傳感策略 (圖1)。這種可穿戴設(shè)備集成了可以從皮膚表面提取儲存汗液的微流控貼片，以及針對汗液手性代謝分子檢測的柔性SERS傳感元件。作為概念性演示，我們通過該設(shè)備首次實(shí)現(xiàn)了人體汗液中手性代謝分子左氧氟沙星的原位實(shí)時(shí)定量分析檢測，獲得了個(gè)體的動(dòng)態(tài)代謝模式。通過與HPLC/MS檢測結(jié)果比較，證實(shí)了我們發(fā)展的可穿戴微流控手性SERS傳感設(shè)備具有極好的對映異構(gòu)體響應(yīng)性、高的檢測靈敏度和穩(wěn)定性。該項(xiàng)技術(shù)為體內(nèi)與疾病相關(guān)的異常手性代謝分子的檢測提供技術(shù)支持，有望在疾病診斷、預(yù)后、個(gè)性化醫(yī)療等方面發(fā)揮作用。
 

圖1. 可穿戴手性SERS微流控傳感技術(shù)實(shí)現(xiàn)人體汗液中手性代謝分子的實(shí)時(shí)監(jiān)測
 

　　(2)光熱直接誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡是消除腫瘤細(xì)胞的主要機(jī)制之一。凋亡中釋放到胞外的細(xì)胞色素C是一種潛在的信號分子，參與了多種病理生理過程的調(diào)節(jié)。目前，細(xì)胞色素C的檢測技術(shù)主要包括酶聯(lián)免疫吸附試驗(yàn)(ELISA)、Western blot、流式細(xì)胞術(shù)等。ELISA和Western blot具有較高的檢測特異性和靈敏度，但是得到的是細(xì)胞群體的平均響應(yīng)，無法揭示不同細(xì)胞之間細(xì)胞色素C含量的異質(zhì)性。
 

　　為了實(shí)現(xiàn)單個(gè)凋亡細(xì)胞釋放細(xì)胞色素C空間分布的原位監(jiān)測，張?jiān)普n題組發(fā)展了一種雙功能3D SERS基底，在單細(xì)胞水平實(shí)現(xiàn)了細(xì)胞凋亡釋放細(xì)胞色素C的定量成像分析，并實(shí)現(xiàn)了活體光熱治療腫瘤過程中腫瘤組織內(nèi)細(xì)胞色素C的原位監(jiān)測 (圖2)。該3D基底通過上下兩層納米結(jié)構(gòu)之間的表面等離激元耦合作用，協(xié)同形成兼具光熱和SERS檢測的雙功能特性。通過在3D 基底表面原位培養(yǎng)細(xì)胞，在光熱效應(yīng)誘導(dǎo)細(xì)胞凋亡后，我們獲得了單個(gè)細(xì)胞釋放細(xì)胞色素C的原位定量SERS成像。通過該技術(shù)，我們進(jìn)一步研究了不同細(xì)胞系對凋亡時(shí)細(xì)胞色素C釋放的影響。通過構(gòu)建雙功能3D SERS基底的可穿戴貼片，實(shí)現(xiàn)了小鼠腫瘤光熱治療過程中，凋亡腫瘤細(xì)胞釋放細(xì)胞色素C的原位監(jiān)測。我們所開發(fā)的方法為深刻理解細(xì)胞凋亡釋放代謝物如何影響周圍細(xì)胞生理過程提供了技術(shù)支持。
 

　　圖2. 利用三維雙功能SERS基底實(shí)現(xiàn)光熱誘導(dǎo)凋亡細(xì)胞色素C釋放空間分布的原位監(jiān)測
 

　　相關(guān)成果分別以(1) Wearable SERS-microfluidic patch for real-time in situ monitoring of chiral metabolites in sweat為題發(fā)表在國際期刊Small。(2)In situ spatial profiling of cytochrome c release at the single-cell level under photothermal stress utilizing a 3D bifunctional SERS substrate為題發(fā)表在生物醫(yī)學(xué)分析領(lǐng)域權(quán)威期刊Biosensors and Bioelectronics。中國科學(xué)院福建物質(zhì)結(jié)構(gòu)研究所張?jiān)蒲芯繂T、田向東副研究員、中國科學(xué)院過程工程研究所周蕾研究員為文章通訊作者。