近日，加拿大瑞尔森大学Krishnan Venkatakrishnan教授和BoTan教授合作，提出了一种无标记的、具有良好生物相容性的体外癌症诊断方案。他们以ZnO三维半导体纳米材料作为探针，将探针的尺寸减小到量子极限尺度，SERS增强因子可达到106以上，检测极限达到了纳摩尔浓度。其相关工作以“Non plasmonic semiconductor quantum SERS probe as a pathway for in vitro cancer detection”为题，发表在《Nature Communications》期刊上。

恶性肿瘤是造成人类死亡的主要原因之一，肿瘤的早期诊断能够更好地治疗和降低其死亡率。尽管科学家们已经在癌症医学上取得了很多进展，但大多数病例都是在肿瘤开始转移的晚期才被诊断出来。

近年来，许多研究人员致力于利用表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）技术的免疫检测，以便更好地发现早期癌症。SERS具有高特异性和高灵敏度的特点，是一种比远场光谱更敏感的癌症检测的有效方法。目前，在SERS方面的工作主要集中在等离子体纳米材料上，这些材料在体外使用时会受到凝血、选择性和生物相容性不良的影响，使得本研究往往只能局限于单生物分子的传感检测。此外，这种等离子体纳米颗粒还需要通过额外的功能化修饰，才能够实现SERS活性拉曼标记（Raman tags）的特定靶向；但是在这个操作过程中可能导致光谱污染，影响细胞结构完整性的观察，不利于疾病的精确检测和快速诊断。

量子点是一种新型的纳米材料，它可以在光的照射下激发出特定波长的荧光，具有亮度高、稳定时间长和发射光谱可调节等特性，是用于同时、多通检测的优异材料。随着制备技术和表面生物修饰技术的进步，量子点由于其独特的光电学特性,已在生物医学领域广泛应用于药物运载和生物成像。

目前，SERS研究的材料体系一般为纳米量级，但是在纳米尺度下的SERS响应很差，需要进一步将材料减小到量子极限尺度，以增强SERS激发的能力。受激子能量、量子限制作用、电子-空穴对重组的影响，量子材料的性质会受外界环境产生显著的变化，非常有利于将其应用于SERS生物传感中去。

在本项研究中，研究人员成功地制备了具有良好生物相容性、无标记的、基于ZnO的3D半导体量子探针，并将其用于癌症的体外检测。通过将纳米粒子尺寸减小到量子级别，可以在纳摩尔浓度下观察到SERS增强因子增强到106以上。量子探针可以用于识别癌性和非癌性细胞，以及DNA、RNA、蛋白质和脂类的生物分子，其检测极限高达单细胞水平。

具体来说，他们通过飞秒脉冲激光的相互作用机理合成了量子级别的探针。由于氧空位和堆垛层错等表面缺陷，他们观察到SERS增强呈指数级增长的独特现象。探针在多个激发波长下显示出了良好的SERS增强能力，增强因子（EF）高达106，且对分析物的检测极限达到了纳摩尔浓度，这对于非等离子体材料来说是非常高的。

随后，他们通过对两种癌细胞系进行了鉴别和时间序列分析，表明癌症和非癌症细胞之间的主要区别是脂质和蛋白质的峰强度比率（I1445/ I1654）。他们对拉曼带（Raman bands）峰的位置和强度进行了分析，检测出了癌症细胞和非癌细胞之间的差异，并通过主成分分析（PCA）和判别分析（DA）证实了该结果。

此外，除了拉曼增强的灵敏度外，在3D纳米树突基底上装饰的量子探针，具有与细胞外基质相似的结构，可以实现自我靶向、促进细胞粘附和增殖。因此，基于ZnO的非等离子体半导体量子探针可用于多重、实时的SERS检测，有助于细胞鉴别、生物分子检测及单分子检测。

图一 基于ZnO的半导体量子探针的制备和表征

（a） 飞秒激光相互作用下纳米树突细胞粘附基底和基于ZnO的半导体量子探针的制备；

（b） 三维网状自组装的量子探针的扫描电子显微镜图（FESEM）；

（c） 高分辨率透射显微镜图（HRTEM），显示了纳米树突细胞粘附基底存在具有堆叠和不规则边缘的六边形和立方体颗粒。

图二 三维纳米树突基底的表征

(a）FESEM和TEM图显示了细胞粘附界面具有钝的四足形态；

(b) XRD，Raman和EDX表征分析证实了ZnO的形成。

图三 激光波长相关的SERS增强机制

(a）基于ZnO的半导体量子探针的SERS增强机制：（1）电荷转移共振；（2）由于量子尺寸导致的近场相互作用，光致电荷转移；（3）单分子半导体量子探针系统中的表面等离子体共振；

（b）基于ZnO的半导体量子探针在多个激发波长下的SERS增强能力。

图四 结晶紫和罗丹明6G的SERS增强

(a），（b）不同浓度的CV和R6G的SERS图谱；

（c）增强因子与CV和R6G浓度的关系。

图五 无标记纳米树突基底的细胞粘附功能化

(a）纳米树突基底的三维四足形貌允许细胞粘附和增殖；

（b）尖锐的针状纳米树突基底不能实现细胞粘附。

图六 量子探针的细胞吞吐作用机制示意图

（a）量子探针的细胞内吞作用机制示意图；

（b）量子探针被基于能量的内吞作用所吸收；

（c）细胞的荧光图像中发光的粒子证实了量子探针的内吞作用。

图七 基于ZnO半导体量子探针的体外SERS特性

（a）基于细胞内生物分子的位置所产生的各种共振增强示意图；

（b）癌细胞和正常细胞的SERS增强信号；

（c）细胞的TEM图显示了细胞对量子探针的实时吞吐过程。

图八 癌症和非癌症细胞的多元分析研究

（a）细胞吸收和量子探针内部化的细胞TEM图；

（b）HeLa,（c）MDAMB231和（d）NIH3T3不同时间的SERS光谱， 6 h (i), 12 h (ii), 24 h (iii),和48 h (iv)，及主成分分析（PCA）和判别分析（DA）。

图九 基于ZnO的量子探针对癌症和非癌症诊断的能力

（a）由于代谢途径的变化和表面受体调节的改变，癌细胞和非癌细胞的SERS光谱的变化。

（b）采用PCA，DA和比例分析法证明了基于ZnO的量子探针疾病诊断的能力。

（c）细胞的TEM图，显示出很多量子探针出现在细胞核、细胞质和细胞膜，为DNA，RNA，蛋白质和脂质的体外无标记、同时和多重检测提供了可行方法。

（d）HeLa，MDAMB231和NIH3T3细胞的SEM和荧光图像。

图十 体外SERS单细胞检测

（a）来自多个生物分子的同步信号增强；

（b）来自单细胞的SERS光谱；

（c）单细胞拉曼散射，表明量子探针能够达到单细胞检测的能力；

（d）不同尺寸的探针在SERS中起着重要作用。

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来源：两江科技评论