DNA编码组装高灵敏的纳米哑铃SERS标记免疫探针的研究

Surface enhanced Raman scattering (SERS) tags has been gradually applied in the field of protein detection because of its unique fingerprint characteristics, ultra-sensitivity, and the capability of multiple detection. In fact, the occurrence of distributed hot spots on SERS-active nanostructures has great randomness, leading to a wide distribution of enhancement factor values. Generally, SERS-based immunoassay faces an essential problem with structural reproducibility, as particle structure and interparticle distance can markedly affect Raman signals. Hence, high-yield assembling SERS-active nanoparticles into well-defined and reproducible hot SERS nanostructures, and synchronously marking the SERS tags and modifying specific molecule on individual SERS-active nanostructure would be greatly beneficial. In this project, based on a DNA-programmed synthetic strategy and a subsequent magnetic-particle-based separation method, 1) gold nanoparticles (Au NPs) were assembled into a dimeric structure, then Ag shells were formed on the surface of the dimeric Au NPs, and the Ag shell thickness was controlled on the nanometre scale to generate gap-engineerable, DNA-embedded nanodumbbells; 2) Importantly, taking advantage of the DNA-programmed assembly process, we will focus on the development of controllably marking the SERS tags in the nanodumbbell gap and stably modifying specific recognition molecules on the nanodumbbell surface. Finally, the structurally reproducible nanodumbbell SERS probe was explored to achieve the detection of the protein in the ultratrace level. The expected outcomes of the project will provide new ideas and technological possibility for the design and application of the SERS-active nanostructures.

基于Raman标签的表面增强拉曼光谱(SERS)，因其独特的指纹特征、超灵敏、多重检测等优势，成为标记免疫检测领域的研究重点之一。SERS标记免疫检测面临的核心科学问题之一是：高产率构筑高增强活性纳米结构的同时，如何可控地定位Raman标签并稳定地修饰抗体分子。本项目以此为目标牵引，采用DNA编码组装策略，解决Raman标签定位的可控性问题和抗体分子修饰的稳定性问题：①组装间隙距离固定的Au纳米颗粒二聚体（纳米哑铃），并在其表面包覆不同厚度的Ag壳，实现二聚体的间隙大小在3 nm范围内的可调可控；②利用DNA编码组装，重点发展在哑铃间隙内可控标记Raman标签以及在哑铃表面稳定修饰抗体分子的方法。使得每个纳米粒子具备一个标记有Raman标签的热点，而且表面稳定修饰一种抗体分子，获得高灵敏、高稳定的SERS标记免疫探针。项目预期成果将为SERS标记免疫探针的设计与调控提供新的思路。

在本项目支持下,研究团队实现了间隙大小一致且可控的纳米组装结构研究，提出了“捕获势阱”用于三维组装纳米颗粒的新理论，发展了时间有序的三维表面增强拉曼散射(SERS)热点结构与检测概念，实现了可控地在纳米间隙内修饰拉曼标签和纳米颗粒表面抗体或DNA等分子的特异性修饰。构筑了不同Ag壳厚度的Ag纳米颗粒组装体、三维SERS热点超结构，阐明了其对纳米标记探针结构、稳定性和功能化基团可控性的影响，并进行形貌、局域等离子体共振光学评价以及SERS 活性研究。揭示了影响三维SERS热点纳米组装结构稳定性与组装可控性的关键因素，发展了液态界面上高产率地构筑高增强、高稳定的SERS 检测平台的新方法，建立了利用三维SERS热点高灵敏检测待测物的方法。我们提出的热点矩阵和捕获势阱等新方法和新理论在等离激元光学和SERS超灵敏检测等研究领域具有重要的科学意义和广泛的应用价值：不仅极大增加了等离激元热点数量，提高了SERS增强效果；而且提供了分子捕获的结构基础，单个染料分子也可以产生强烈的SERS信号，解决了热点效率问题。克服了SERS检测长期面临的局限，可以应用于各种表面和基底上的超灵敏检测，可以方便的检测各种各样拉曼活性不同、与贵金属表面亲和性不同的分子，包括氨基酸、爆炸物、农药残留、毒品等。项目负责人以第一作者或通讯作者在J. Am. Chem. Soc.（1篇）、Anal. Chem.（3篇）、Nanoscale（1篇）、J. Mater. Chem. A（1篇）、Chem-Eur J. （1篇）、Analyst（4篇）、Mater. Res. Bull.（1篇）等杂志共发表科研论文12篇，受邀撰写TrAC-Trend. Anal. Chem综述论文1篇。其中，SCI 1区论文7篇，2区6篇； 8篇论文影响因子>5，12篇论文影响因子>4；1篇论文入选全球Top 1%“ESI”高引论文；获得安徽省自然科学论文一等奖1项。申请国家发明专利1项。培养研究生5名。相关研究成果获得安徽省自然科学奖一等奖（2016）。