等离子激元纳米结构的功能化及miRNA的高灵敏SERS检测研究

Malignant tumor diseases has become a serious threat to human health, so that there is an urgent need to develop effective cancer diagnosis technology. Due to the high-specific biology expression of miRNA, the high-sensitive detection for miRNA as a cancer gene type of tumor marker will provide a kind of important means for early screening of cancer and precancerous diagnosis. Through optimization design and preparation of plasmonic nanostructures, this project studies the dependence of localized surface plasmon resonance (LSPR) and surface-enhanced Raman scattering (SERS) effects on their structural parameters, the dielectric properties and local medium environment for deeply understanding the physical mechanism of LSPR-SERS-based biological sensing; and according to the principle of genetic and molecular biology, to research the biological functionalization of plasmons nanostructures and prepare the SERS active probe and SERS active substrate of miRNA, by means of the fingerprinting characteristics of high-resolution SERS spectra, to deep understanding of the hybridization between the target miRNA and the specific miRNA complementary sequence impacting on SERS signals, which will used to implement the high-sensitive detection of type and content of the miRNA tumor markers in human tissue and blood with a detection limit of fM/mL. Research work is not only to provide a new way for the detection of cancer gene type of tumor markers with high specificity and high sensitivity, but also will further promote the development of modern tumor medicine in cancer gene level, which has important scientific significance and application prospect.

恶性肿瘤疾病已成为人类健康的严重威胁，迫切需要开发有效的癌症诊断技术。由于miRNA的生物学表达具有高特异性，癌基因类肿瘤标志物miRNA的高灵敏检测将为肿瘤筛查和早期诊断提供一种重要手段。本项目通过设计和制备等离子激元纳米结构，研究局域表面等离子体共振(LSPR)和表面增强拉曼散射（SERS）对结构参数、介电性质和局域环境的依赖性，深入理解基于LSPR-SERS效应生物传感的物理机制；根据基因生物学原理，开展等离子激元纳米结构的生物功能化研究，制备miRNA的SERS活性探针与活性基底，并结合SERS光谱的指纹表征特性，研究目标miRNA与其互补序列的相互杂交对SERS信号的影响，实现人体组织和血液中miRNA肿瘤标志物的种类和含量的高灵敏检测，检测限达到fM/mL量级。研究工作建立的miRNA肿瘤标志物的检测方法，对于促进肿瘤医学在癌基因层次上的深入发展，具有重要科学意义和应用前景。

伴随着人口结构和生活方式的变化,恶性肿瘤的发病率逐年增高，对人类健康造成极大危害。同时，大量医学实践表明，癌症的早期诊断和及时治疗是治愈恶性肿瘤和提高患者5年生存率的关键。作为转录后调节因子的微小核糖核酸miRNA,是一类长度在18~25个核苷酸的内源非编码的小分子,不仅影响动物、植物和病毒的基因表达,而且参与细胞的增殖和凋亡等生物过程。最新研究发现,miRNA的表达失控与恶性肿瘤的发生和发展密切相关，成为一类重要的基因类肿瘤标志物。近年来，人们开发出多种miRNA的检测技术，如实时荧光定量多聚核苷酸链式反应（RT-qPCR）、荧光成像法和印迹法等。由于临床血清中miRNA种类多、含量较低和萃取后容易降解，而现有技术操作复杂、耗时以及存在扩增程序引起的序列偏移风险等，难以满足癌症筛查的高通量痕量检测需求，有必要开展新的高灵敏度、高特异性和快速的miRNA的检测技术研究，实现人体组织和血清中miRNA的定量分析,对于癌症的早期诊断和治疗具有重要意义。.另一方面，表面增强拉曼散射（SERS）光谱具有分子指纹谱识别功能，是一门生物兼容性好、灵敏度高的无损检测技术，在化学、生物和医学等领域有广泛应用。同时，局域表面等离子体共振（LSPR）效应可以对吸附在贵金属纳米结构表面的分子产生极大的拉曼信号增强，成为重要研究热点。本项目设计和制备多种等离子激元纳米结构，特别是贵金属-金属氧化物半导体系统的基底，研究其优异SERS特性与材料性质和结构参数的依赖关系，深入揭示基于LSPR-SERS效应生物传感的物理机制。同时，根据生物学原理，开展等离子激元纳米结构的生物功能化研究，制备miRNA的SERS活性探针与活性基底，通过目标miRNA与其互补序列的相互杂交和双链特异性核酸酶(DSN)剪切等方式，实现人体组织和血液中肿瘤标志物miRNA种类的特异性识别和含量的高灵敏检测，如miRNA-106a和miRNA-21检测限分别达到1.84fmol·L-1和0.853fmol·L-1。项目提出的检测方法，为高灵敏度肿瘤标志物miRNA的检测奠定了理论和技术基础，显示出极大的临床应用潜力。