Au@COF 纳米传感器拉曼增强光谱与暗场散射性能研究及其细胞内过氧化氢检测

引言

过氧化氢参与细胞内生理活动，对细胞代谢产物调节和生理过程至关重要，在单细胞水平上定性识别、定量表征过氧化氢可更全面揭示异质性细胞特征，促进疾病检测和药物筛选的发展。单细胞由于其结构多样性、快速代谢物动力学特征和难以预测的信号放大等因素影响，活体单细胞检测仍极具挑战性。SERS技术具备非侵入性、低自发荧光、高灵敏度等优势，已成为检测分析细胞代谢产物的前景技术，可用于核酸、氨基酸、脂质、葡萄糖、神经递质等体系研究。然而，由于基底不可逆聚集和靶生物分子的非特异性吸附等因素影响，SERS技术仍有低重复性、低再现性等缺点。同时由于普通光学显微镜难以定位追踪待测物，SERS技术在复杂生物体系应用仍受很大限制。在这方面，暗场显微镜采用特殊的照明方式，只允许样品散射的信号进入物镜内，可克服常规光学显微针对均一样品中的微小结构成像时，透射或反射衬度不足的问题，利用这个方法可以看见突破衍射极限的微粒子。暗场散射和SERS技术相结合，有望实现原位实时活细胞中代谢物检测。

南京师范大学王琛教授课题组在Au纳米粒子上覆盖二维共价有机框架（COFs）构建尺寸可控、富集力强、稳定性高和生物相容性更好的核壳结构(Au@COF)生物传感器。并用拉曼光谱/暗场散射成像双模技术实时监测活细胞中过氧化氢代谢物水平。实验结果证明，该生物纳米传感器简单、高效，可实现过氧化氢和细胞代谢产物的在线检测。本研究为开发基于COF的SERS生物传感平台提供了实验思路，为细胞代谢产物相关疾病早期诊断提供一种有效方法。

结果分析

本文通过在Au纳米粒子上覆盖二维共价有机框架（COFs），COFs壳层结构均匀包裹Au纳米粒子，提高基底稳定性；纳米级多孔结构有效富集生物分子，提高分子浓度和灵敏度；多孔COFs层可消除不均匀分子吸附，使基底具备高稳定性和高抗干扰性，此外，COFs具有良好生物相容性，*大程度降低细胞毒性。利用SERS/暗场散射双模检测技术，有效定位追踪单个细胞靶向微区，实现原位监测细胞中H2O2代谢产物。

图1 Au@COF纳米传感器合成示意图、拉曼光谱图和暗场显微图像

图2（A）Au@COF/MPBA纳米传感器感应机制。（B） MPBA、MPBA与H2O2和HBT的拉曼光谱。（C） Au@COF/MPBA被不同氧化后的拉曼光谱图（D） Au@COF/MPBA被不同氧化后的I1075/I1023拉曼峰强度比，Au@COFn浓度为0.5 nM

图3 （A） 不同H2O2浓度下， B-O-H变形振动的1023 cm−1拉曼峰；（B）I1075/I1023拉曼峰强度比与H2O2浓度函数关系（C）I1075/I1023拉曼峰强度比率与时间变化关系，Au@COF为0.5nM

图4（A） COF外壳保护作用示意图，COF外壳阻挡大分子进入；（B）细胞培养基中不同H2O2浓度下Au@COF/MPBA的拉曼光谱图；（C-D）细胞培养基和BSA溶液中，I1075/I1023拉曼峰强度比与H2O2浓度函数关系，Au@COF为0.5nM。

图5 Au@COF/MPBA纳米传感器用于细胞内成像；（A）共焦显微镜检测光路示意图；（B） MCF-7细胞在Au@COF/MPBA孵育后的明场、暗场图像；(C-D)不同采样点的拉曼光谱图，1-3采样点在1023和1075cm-1有拉曼峰，Au@COF浓度为0.25nM。

图6 细胞内不同药物处理后H2O2的成像图；(A)未处理的细胞,(B)2 mg·mL−1的NAC，（C）1 mM PMA和（D）200 mM H2O2；从左到右依次为明场（BF）图像、暗场（DF）图像、拉曼Mapping图像和合成图像。红色图为1075 cm−1拉曼峰Mapping图，红色图为1023 cm−1拉曼峰Mapping图。Au@COF浓度为0.5nM。

结论

在本文中，王琛教授课题组设计一款高稳定性、尺寸可控、富集力强和生物相容性高的核壳结构Au@COF纳米生物传感器。采用拉曼光谱/暗场散射成像双模技术实时监测活细胞中过氧化氢代谢物水平。尽管目前纳米传感器仍处于起步阶段，Au@COF纳米传感器由于COF外壳吸附效应和Au核LSPR效应，可实现不同探针分子类型，为活细胞代谢物检测提供一种前途策略。

南京师范大学王琛教授课题组简介

王琛，南京师范大学化学与材料科学学院教授，博士生导师，国家**青年科学基金获得者（2020年），江苏省“青蓝工程”**青年骨干教师、中青年学术带头人，南京师范大学中青年领军人才；南京师范大学本科、硕士，2011年博士毕业于南京大学化学化工学院生命分析国家重点实验室，2012-2016南京大学从事物理学博士后，2016-2017年麻省理工学院（MIT，美国）访问学者。至今，在Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem., Nano lett., ACS Nano, Anal. Chem.等学术期刊发表研究论文60 余篇；参编英文图书 《Nanobiosensors: From Design to Applications》(Wiley)；主持多项国家自然科学基金、江苏省重点研发、江苏省自然科学基金等项目；担任Chinese Chemical Letters期刊编委，中国分析测试协会青年学术委员会委员，江苏省材料学会副秘书长。

文章信息

本文以“SERS and dark-field scattering dual-mode detection of intracellular hydrogen peroxide using biocompatible Au@COF nanosensor”为题发表在Sensors and Actuators: B. Chemical期刊上。南京师范大学王琛老师为通讯作者。

本研究暗场显微图像和拉曼光谱数据使用的是北京卓立汉光仪器有限公司RTS2 多功能激光共聚焦显微拉曼光谱仪，如需了解该产品，欢迎咨询。

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