基于表面增强拉曼光谱（SERS）的多元蛋白检测芯片技术基础研究

【摘要】：人体内蛋白质的表达水平与癌症的发生及发展存在着紧密的联系。因此,发展高灵敏度、高通量、快速、低成本的多元蛋白光学检测技术对肿瘤学的基础研究和癌症的早期诊断与治疗等临床应用具有重要的意义。本论文重点研究基于表面增强拉曼光谱(SERS)的多元蛋白检测新技术方法,用以提高检测灵敏度、多元分析能力、检测效率和降低成本。论文发展了将SERS和微流控芯片相结合的蛋白质检测技术,提出了光谱-空间联合编码方法,建立了一个新型的多元蛋白分析检测平台,并将其应用于肿瘤标志物的检测及抗癌药物作用机理的研究,为癌症的早期诊断和治疗提供了新的技术途径。本论文的主要创新性研究成果如下:(1)提出了将金核银壳纳米棒材料作为SERS增强基底用于SERS免疫检测平台中,显著提高了蛋白质检测的灵敏度。首先,以金纳米棒为模板,用氧化还原法在其外层包裹上了银壳,得到金核银壳纳米棒,并对其SERS特性进行研究;然后,以金核银壳纳米棒为SERS基底,在纳米粒子表面标记拉曼分子并修饰抗体,构建了新型的免疫探针;最后,用制备的SERS探针进行免疫检测,并对检测的特异性和灵敏度进行评估。实验结果表明,相比于金纳米棒,用金核银壳纳米棒可以将SERS免疫检测的灵敏度提高4个数量级。(2)研究了 SERS光谱编码技术在多元蛋白检测中的应用。实验中,在金核银壳纳米棒表面分别标记两种不同的拉曼分子和两种不同的抗体,制备了两种具有不同SERS标记的免疫探针,分别用来识别和检测不同的蛋白质。采用SERS光谱编码的方法,在一次免疫检测中实现了对两种肿瘤标志蛋白p53和p21的同时检测。这种基于SERS编码的多元蛋白检测方法避免了重复的操作流程,降低了样品和试剂消耗,充分发挥了SERS在多元并行检测中的优势。(3)提出了全新的SERS光谱-空间联合编码方法,并基于这一思想设计了一种SERS三维码多元蛋白检测芯片。在检测过程中,先借助微流控通道构造二维的蛋白质杂交阵列,再利用SERS免疫探针对多个样品中的多种蛋白质进行同时检测。该检测方法将SERS光谱信息加载到蛋白质阵列中,结合了微流控芯片的二维空间编码与SERS光谱编码,从而构成了基于SERS的三维码。实际应用中通过对该三维码的解码即可获取所有样品中的多种蛋白质的含量信息。该检测平台具有信息量大、检测灵敏度高(～10 fg/mL)、响应速度快(30 min)、操作简便等优点,为高通量生物检测提供了全新的思路。(4)设计了一种多功能的肿瘤细胞分泌蛋白检测平台,研究了抗癌药物的作用机理及细胞间通信的过程。该平台在SERS三维码蛋白质检测芯片的基础上集成了细胞培养单元和气动微阀门控制单元,得到了一个全集成、高度自动化的细胞培养与分析芯片,可实现多种肿瘤细胞分泌蛋白的在线定量检测、肿瘤细胞和免疫细胞间通信监测以及抗癌药物筛选功能。该平台发挥了 SERS-微流控芯片在多元蛋白检测中的优势,同时具有检测成本低、自动化程度高的优点,有望为新型抗癌药物的开发提供一个有力的工具。