Small Methods: 含内标分子的增强拉曼探针应用于胆固醇定量检测

胆固醇是人体内非常重要的基础物质,参与多种生命活动。体内不正常的胆固醇水平与多种疾病(如心脑血管疾病)紧密相关。这些疾病早期可体现于细胞水平的胆固醇含量及分布,如巨噬细胞内胆固醇异常富集引起的泡沫细胞是早期动脉粥样硬化的表现,对细胞内胆固醇水平进行检测将有助于这些疾病的早期诊断。表面增强拉曼光谱(Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS)技术是一种超高灵敏分子振动光谱技术,广泛应用于分子检测领域。近年来,由于其灵敏性及无损性,SERS技术在生物医学领域的应用研究备受关注,主要涵盖生物成像(诊断)、生物分子检测及细胞微环境监测等。目前SERS 信号可重复性差是SERS 技术应用于定量分析的一大难点及热点。若能提高信号的可重复性,超灵敏、无损的SERS技术将在胆固醇定量检测,包括细胞水平的胆固醇含量及分布的检测具备巨大的应用潜力。

图1:内嵌拉曼分子的金银核壳缝隙增强拉曼探针用于定量检测胆固醇的原理示意图

上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授及其研究团队研发了内嵌拉曼分子的金银核壳缝隙增强拉曼探针,以内嵌拉曼分子信号作为校准信号(内标),结合经典最小二乘法的机器学习方法,构建有效的缝隙增强拉曼探针,应用于溶液中和细胞内的胆固醇及双氧水的定量检测。团队对内嵌拉曼分子的金银核壳纳米颗粒的生长机制进行了研究,同时调控内嵌分子数及银壳厚度实现了最优的SERS性能;运用该探针体系对溶液中胆固醇、双氧水进行定量检测,实现了从较为复杂的SERS 光谱中提取出有效信号,同时通过内嵌拉曼分子的信号校准作用,显著降低由于探针状态(例如团聚)造成的SERS 信号波动,将线性相关度从0.55 提高至0.99,实现了可靠的定量检测。此外,他们对单细胞内的胆固醇、双氧水定量检测进行了探索,展现了该体系在单个活细胞水平定量检测细胞内的胆固醇及双氧水的潜力。相关论文以“Surface-Enhanced Raman Nanoprobes with Embedded Standards for Quantitative Cholesterol Detection”为题发表在Small Methods(DOI: 10.1002/smtd.201800182; This article also appears in  Hot Topic: Surfaces and Interfaces)。

相关工作得到了国家自然科学基金以及上海交通大学的资助。此研究成果是叶坚教授课题组在缝隙增强拉曼探针的生物医学应用领域的又一进展。自2015年以来课题组已陆续在缝隙增强拉曼探针的合成调控(Chemical Communications,2015)、增强机理研究(Nano Letters,2015;ACS Nano,2018)、分子层光学折射指数测量(Nanoscale, 2017)、超光稳定探针的合成和快速成像(ACS Applied Materials & Interfaces, 2017; RSC Advances,2018)等方面取得重大进展,同时也开展了基于缝隙增强拉曼探针的术中前哨淋巴结显影(Biomaterials,2018)、术中残留微小肿瘤灶的检测和根除(ACS Nano, 2018)、晚期播散性卵巢癌术中拉曼检测引导的热化疗协同治疗(Small,2018)等相关医学应用研究。

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