【儀表網 研發快訊】表面增強拉曼光譜(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，在生物醫學分析、催化機理研究、環境與食品安全現場快檢等領域具有重要應用前景。最近，中國科學院福建物質結構研究所(廈門稀土材料研究中心)張云課題組利用前期發展的三維表面增強拉曼光譜技術，在生物醫學分析領域取得了重要進展：(1)通過發展可穿戴手性SERS傳感微流控貼片，實現了人體汗液中手性代謝物的實時非侵入監測，為精準醫學提供了技術支撐(Small 2025,21,2500770. https://doi.org/10.1002/smll.202500770)。(2)通過構建三維雙功能柔性納米結構，實現了單個細胞凋亡過程中胞外釋放細胞色素C空間分布的原位監測，并驗證了該技術在活體腫瘤治療效果評估中的潛在應用價值。
(1)手性是自然界的本質屬性，在生命起源、發展中起著關鍵作用。若干手性代謝小分子已經成為癌癥等疾病監測的重要生物標志物。目前，臨床中手性代謝分子的檢測需對血液等樣品進行前處理，并依賴手性高效液相色譜等方法實現對映體的定量分析。然而，此類常規方法由于耗時長、通量低等缺點，限制了手性代謝小分子在個性化診療中的應用價值。
針對上述問題，張云課題組發展了一種可原位實時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，我們通過該設備首次實現了人體汗液中手性代謝分子左氧氟沙星的原位實時定量分析檢測，獲得了個體的動態代謝模式。通過與HPLC/MS檢測結果比較，證實了我們發展的可穿戴微流控手性SERS傳感設備具有極好的對映異構體響應性、高的檢測靈敏度和穩定性。該項技術為體內與疾病相關的異常手性代謝分子的檢測提供技術支持，有望在疾病診斷、預后、個性化醫療等方面發揮作用。
圖1. 可穿戴手性SERS微流控傳感技術實現人體汗液中手性代謝分子的實時監測
(2)光熱直接誘導細胞凋亡是消除腫瘤細胞的主要機制之一。凋亡中釋放到胞外的細胞色素C是一種潛在的信號分子，參與了多種病理生理過程的調節。目前，細胞色素C的檢測技術主要包括酶聯免疫吸附試驗(ELISA)、Western blot、流式細胞術等。ELISA和Western blot具有較高的檢測特異性和靈敏度，但是得到的是細胞群體的平均響應，無法揭示不同細胞之間細胞色素C含量的異質性。
為了實現單個凋亡細胞釋放細胞色素C空間分布的原位監測，張云課題組發展了一種雙功能3D SERS基底，在單細胞水平實現了細胞凋亡釋放細胞色素C的定量成像分析，并實現了活體光熱治療腫瘤過程中腫瘤組織內細胞色素C的原位監測 (圖2)。該3D基底通過上下兩層納米結構之間的表面等離激元耦合作用，協同形成兼具光熱和SERS檢測的雙功能特性。通過在3D 基底表面原位培養細胞，在光熱效應誘導細胞凋亡后，我們獲得了單個細胞釋放細胞色素C的原位定量SERS成像。通過該技術，我們進一步研究了不同細胞系對凋亡時細胞色素C釋放的影響。通過構建雙功能3D SERS基底的可穿戴貼片，實現了小鼠腫瘤光熱治療過程中，凋亡腫瘤細胞釋放細胞色素C的原位監測。我們所開發的方法為深刻理解細胞凋亡釋放代謝物如何影響周圍細胞生理過程提供了技術支持。
圖2. 利用三維雙功能SERS基底實現光熱誘導凋亡細胞色素C釋放空間分布的原位監測
相關成果分別以(1) Wearable SERS-microfluidic patch for real-time in situ monitoring of chiral metabolites in sweat為題發表在國際期刊Small。(2)In situ spatial profiling of cytochrome c release at the single-cell level under photothermal stress utilizing a 3D bifunctional SERS substrate為題發表在生物醫學分析領域權威期刊Biosensors and Bioelectronics。中國科學院福建物質結構研究所張云研究員、田向東副研究員、中國科學院過程工程研究所周蕾研究員為文章通訊作者。
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