主動式、智能表面增強拉曼檢測（SERS）探針可實現可控靶向目標物質｜哈工大馬星課題組新進展
2020-07-30 科技導報
哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院馬星教授課題組報導了一種主動式、智能表面增強拉曼檢測（SERS）探針可實現可控靶向目標物質，同時具有自清潔功能，克服了傳統SERS探針汙染後無法多次使用的問題。同時， SERS探針通過輔助增強細胞內吞作用進入細胞內部，利用自旋轉運動加大了SERS探針與細胞質中多種物質分子的接觸，獲得的更加豐富的細胞內生物信號。文章以「Magnetic Nanomotor-Based Maneuverable SERS Probe」為題發表在Research上（Research, 2020, 7962024, DOI: 10.34133/2020/7962024）。
1、研究背景
表面增強拉曼光譜（SERS）是一種能夠對極低濃度樣品進行指紋峰識別的檢測技術。通過分析特徵拉曼位移可以獲取檢測樣本的化學鍵信息，同時SERS具有快速、無損檢測的特點，被廣泛應用到生物傳感領域。然而傳統的SERS探針通常為貴金屬（例如：金、銀等），通過貴金屬顆粒表面的納米結構來產生表面等離子體共振，實現拉曼信號的增強。對於生物檢測領域，通常將待檢樣品加入到SERS晶片上或者在待檢樣品中加入過量的SERS探針（例如：金或銀納米顆粒）。通過被動的擴散作用，SERS探針與待檢樣品相互接觸，該方式缺乏可控性和檢測準確性。因此，製備具有自驅動能力和小尺度下可操控的SERS探針成為一個重要的研究課題。
2、研究現狀
哈爾濱工業大學（深圳）馬星教授課題組通過水熱法合成Fe3O4顆粒,並通過磁場誘導自組裝的方法製備出表面包覆二氧化矽的磁性棒狀微納米馬達。緊接著通過銀鏡反應，在二氧化矽表面生長出銀納米顆粒，作為表面增強拉曼檢測的納米熱點（圖1）。
圖1 基於棒狀磁性微納米馬達SERS探針製備與表徵
該SERS探針以磁場驅動微納米馬達作為運動精準可控的操作平臺。通過外部施加梯度磁場，可以實現該SERS探針的定向運動，在微納米尺度下可以精準地到達檢測位置。當外部磁場由梯度磁場轉變為旋轉磁場，SERS探針也會由定向運動轉換為旋轉運動，可以實現在微小尺度下SERS探針與周圍物質的快速交換。傳統的SERS探針通常有容易被「汙染」的問題並且無法實現多次重發使用。基於微納米馬達的SERS探針（MNM-SP）具有良好的運動特性，設計了如圖2所示晶片，MNM-SP可以在對樣品1完成檢測後，回到清洗池中進行自清洗，除去表面的檢測樣品後，再自驅運動到樣品2進行檢測。
圖2 靶向SERS傳感檢測與SERS-SP自清洗
隨後，我們進一步驗證了MNM-SP對細胞的拉曼檢測。在梯度磁場的作用下，MNM-SP可以精確靶向目標細胞。在磁場力的輔助作用在，MNM-SP可以通過細胞內吞作用快速進入細胞內部。對比在不加和施加旋轉磁場的兩種情況下的實驗結果發現，採集到的拉曼信號有顯著的區別。MNM-SP在細胞內通過旋轉作用可以快速與內含體隔離的細胞質中不同物質分子接觸，因此可以獲得更加豐富的細胞質中分子信號（圖3）。
圖3 基於磁驅動微納米馬達表面增強拉曼光譜細胞內生物信號檢測
3、未來展望
基於微納米馬達的表面增強拉曼檢測探針，能夠充分發揮微納米馬達在微小尺度下的精準運動控制和表面增強拉曼光譜的超靈敏檢測能力。作者驗證了MNM-SP的自清潔能力，能夠克服傳統SERS探針容易被「汙染」問題，同時驗證了通過MNM-SP自身的旋轉作用，能夠在細胞內獲得更加豐富的拉曼信號。該MNM-SP有望為未來主動式、智能化SERS探針的研究提供新的研究思路，在生物傳感檢測領域具有巨大的應用前景。
4、作者簡介
馬星，哈爾濱工業大學（深圳）材料科學與工程學院教授。2013年在新加坡南洋理工大學獲得材料科學與工程博士學位，研究方向為多功能納米材料的生物應用。隨後，在德國馬克斯-普朗克智能系統研究所從事自驅動微納米顆粒主動藥物傳輸載體的研究工作，並獲得德國洪堡博士後基金資助。2016年7月，獲得德國馬普智能所2016年度傑出青年科學家獎（Günter Petzow Prize）。目前主要從事生物醫用微納米機器及其智能傳感檢測的研究工作。
《Research》是中國科協與美國科學促進會於2018年共同創辦的定位為國際化、高影響力、世界一流水平、綜合性、大型OA科技期刊，是美國《Science》自1880年創刊以來第一本合作期刊。主要發表生命科學、新材料、新能源、人工智慧、微納米科學、環境科學、機械科學、機器人與先進位造8個具有巨大發展潛力的熱點交叉領域突破性研究成果。目前已建立了93人的國內外各佔50%、具有國際影響力的編委會，主編(中國)為西北工業大學常務副校長、中科院院士黃維，主編(國際)為美國明尼蘇達大學麥克凱特傑出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus資料庫收錄。
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