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Adv. Mater.:夹层结构表面等离子体尺——一种临床标志物非标记检测新策略

表面等离子体生物检测器,是一种基于表面等离子体共振(SPR)现象设计的用于蛋白质、核酸、外泌体甚至细胞等生物物质检测的传感器。其基本原理是基于材料表面发生化学分子或生物分子的特异性结合后,造成环境局域介电常数的变化进而引起表面等离子体共振频率的变化。近年来,快速精确的即时医疗诊断和生物检测引起了越来越多的关注,表面等离子体生物检测器也随之成为科学研究的热点。其无标记的检测方式成为了该类材料独特的优势之一。


研究表明,当表面等离子体纳米材料相互靠近时,他们之间会发生表面等离子体电磁耦合效应,因此材料整体的光学信号受到其中各单元间距离的影响,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”。这类材料区别于经典的利用介电常数变化的检测机理,其更注重于生物相互作用带来的纳米尺度的距离变化。纳米粒子二聚体就是一类重要的表面等离子体尺材料,如今被大量地研究和使用。


在实际临床检测或即时诊断中,简便的构筑手段和检验操作、小型化的读出设备都是重要的需求和限制条件。这恰恰也是表面等离子体生物检测器所追求的目标和重要发展趋势。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了一大目标和挑战。


基于此,吉林大学超分子结构与材料国家重点实验室张俊虎教授(点击查看介绍)、朱守俊教授(点击查看介绍)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(SW-PR),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。该结构采用金纳米孔阵列/间隔层(检测层)/金膜的夹层设计。(图1)

图1. SW-PR的基本结构和电子显微镜照片


作者发现,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的厚度灵敏度(图2)。该灵敏度也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。该结构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,也具有更大范围的光谱移动,达到了数百纳米。

图2. 随着间隔层厚度变化,材料特征的光谱信号位置也发生变化,两者关系呈指数关系。


作者利用该结构来检测了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。作者选用了降钙素原(PCT)和C反应活性蛋白(CRP)两种血清标志物,在临床血清样本检测中,该检测器也展现了良好的精准度和稳定性(图3),不使用化学修饰的条件下,检测限达到11.9 pg/ml(降钙素原),比作者在同等试验条件下ELISA方法的检测限低一个数量级以上。

图3. SW-PR具有在血清中检测降钙素原(PCT)和C反应活性蛋白(CRP)的能力


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。


这一成果近期发表在Advanced Materials 上,文章的第一作者是吉林大学博士研究生南靖杰。该工作得到了国家自然科学基金的资助。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Ultrahigh-Sensitivity Sandwiched Plasmon Ruler for Label-Free Clinical Diagnosis

Jingjie Nan, Shoujun Zhu, Shunsheng Ye, Weihong Sun, Ying Yue, Xiaoduo Tang, Jingwei Shi, Xuesong Xu, Junhu Zhang, Bai Yang

Adv. Mater., 2020, DOI: 10.1002/adma.201905927


导师介绍

张俊虎

https://www.x-mol.com/university/faculty/11058

朱守俊

https://www.x-mol.com/groups/zhu_shoujun


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