Advanced Materials:一种临床标志物非标记检测新策略——基于贵金属纳米孔阵列的夹层“表面等离子体尺”

 贵金属纳米材料具有独特的光学性质,这主要是由其特殊的表面等离子体共振(SPR)现象所引起的。表面等离子体共振的频率不仅仅取决于其自身的结构和组成,还受外界环境介电常数的影响,当材料表面发生的化学分子或生物分子的特异性结合时,往往造成环境局域介电常数的变化,进而带来材料的光学性质的改变,这也是该类材料实现生物化学检测的基本原理。此外,近年来研究揭示,当表面等离子体材料相互靠近时,他们之间会发生表面等离子体电磁耦合效应,材料整体的光学信号受到其中各单元间距离的影响,因此这类材料可通过光谱变化测量纳米尺度距离变化,被形象地称为“表面等离子体尺”。由于表面等离子体尺检测的原理是基于物理间距变化,无需荧光或其它标记即可实现光谱信号的直接读出,因此作为一种非标记的检测体系,在生物检测中具有重要的应用前景。目前基于表面等离子体尺的检测体系主要以纳米粒子二聚体为主,该体系可实现对几纳米到几十纳米尺度上生物相互作用的识别与测量,作为一类重要的材料体系被广泛研究和使用。然而其相对复杂的构筑手段和检验操作,限制了其在即时诊断和临床检测的应用,因此,发展一种可临床使用、简便、快速、高灵敏的生物检测器成为一大研究目标和挑战。

吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张俊虎教授、朱守俊教授合作研究团队,开发了一种基于纳米孔阵列的、具有夹层结构的表面等离子体尺,首次实现了可用于生物检测和临床诊断的高灵敏膜层检测体系。作者设计并制备了金纳米孔阵列/间隔层(检测层)/金膜的夹层体系,测试表明金纳米孔阵列下表面会与底层的金膜层发生强烈的反对称电磁耦合,耦合强度取决于两个表面的距离,即间隔层的厚度,因此,该结构能够灵敏地响应间隔层厚度并具有高达61 nm/nm(厚度变化1 nm,光谱移动61 nm)的厚度灵敏度,大幅度超越了现有的以贵金属纳米粒子二聚体构筑的等离子体尺。此外,相对于利用折射率变化进行检测的传统表面等离子体检测器,这种夹层表面等离子体尺结构具有更大范围的光谱移动,达到了几百纳米。作者随后利用该结构来检测蛋白质特异性吸附引起的蛋白层厚度变化,实现了蛋白质的定量检测,同时在临床血清标志物检测中,该检测器也展现了良好的精准度和稳定性,在不使用化学修饰的条件下,检测限达到11.9 pg/ml(降钙素原),比作者在同等实验条件下ELISA方法的检测限低18倍。

此项研究为临床血清标志物的检测提供了一种新的思路,检测原理是基于抗原抗体结合后表面膜层厚度变化,无需标记,检测时间短,成本低,极高的灵敏度也适用于其他相关领域。相关论文以“Ultrahigh‐Sensitivity Sandwiched Plasmon Ruler for Label-Free Clinical Diagnosis”在线发表在Advanced Materials (DOI:10.1002/adma.201905927)上。