基于酪胺信号放大技术的SERS传感器对蛋白质的高灵敏度检测研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) bio-sensing technology has a unique advantage in studying the interactions of biomolecules. High selectivity and high sensitivity are the guarantee of the rapid development of SERS technology. Using the molecules with specific identification function as a sensitive element is the basis for selective determination. However, in conventional SERS detection, there is no further amplification of the response signal from the conversion of the target identification event, therefore, it is impossible to obtain higher detection sensitivity. This project is intended to design a SERS sensor based on tyramine signal amplification (TSA) technology for the highly sensitive detection of proteins. Through the process of signal molecular deposition, a large number of SERS probe molecules can be enriched to the sensor, resulting in a significant increase in spectral signal, and the system sensitivity will have an unprecedented improvement. SERS method combined with the TSA technology can reduce the consumption of the biomolecules, reduce the interference of non-specific background signal, and detect a low concentration sample that can't be detected by conventional methods. This method can be compatible with many identified and functional systems, such as enzyme and substrate binding, antigen-antibody reaction, nucleic acid in situ hybridization etc. achieving the trace detection of different biological components, promoting SERS analysis technology to a further step in biomedical research and clinical early diagnosis.

表面增强拉曼散射（SERS）生物传感技术在研究生物分子的相互作用方面具有独特的优势，高选择性和高灵敏度是该技术迅速发展的保证。采用特异性识别功能的生物分子作为敏感元件为选择性测定提供了基础。然而，常规SERS检测并没有将目标识别事件转换成的响应信号进一步放大，所以无法获得更高的检测灵敏度。本项目拟设计基于酪胺信号放大（TSA）技术的SERS传感器，用于对蛋白质的高灵敏度检测。其原理是通过信号分子沉积过程，将大量SERS探针分子富集到传感器上，导致光谱信号显著增强，使系统灵敏度得到前所未有的提升。SERS方法结合TSA技术可以减少生物分子的消耗量，降低非特异性背景信号的干扰，检测常规方法所检测不到的低浓度样品。该方法能够兼容多种生物识别体系，例如酶与底物结合、抗原抗体反应、核酸原位杂交等，实现对不同生物成分的痕量检测，进而推动SERS分析技术向生物医学研究和临床早期诊断再迈进一步。

生物传感器能够高特异性高灵敏性地检测各种化学物质和生物分子，例如H2O2，DNA，蛋白质，酶等。SERS技术在生物传感器的构建中起着越来越重要的作用，高选择性和高灵敏度是该技术迅速发展的保证。然而，常规SERS检测并没有将目标识别事件转换成的响应信号进一步放大，所以无法获得更高的检测灵敏度。本项目设计基于TSA技术的SERS传感器，通过循环放大，使系统灵敏度得到前所未有的提升。主要研究内容包括：（1）研究了一种用于免疫检测的TSA-SERS传感器的制备方法，该方法将拉曼染料标记的金纳米粒子（SERS tag）连接酪胺分子上，通过引入TSA反应，将连有SERS tag的酶促产物沉积在传感器表面，放大SERS信号，该方法可以检测低至0.01ng/mL的靶抗原浓度，可提高SERS检测灵敏度10倍左右。通过应用DNA和适体等不同的识别元件，该方法可以推广到其他有意义的目标物；（2）研究了一种基于重复酶催化过程的TSA-SERS传感器的制备方法。通过在传统的SERS传感器中引入TSA过程，在传感器表面形成HRP重复序列。以此传感器来研究邻苯二胺（OPD）的酶催化过程，利用SERS光谱对酶催化产物进行指纹分析，并根据SERS信号强度变化对参加反应的各物种进行定量检测。利用该方法可以实现H2O2的高灵敏度检测，检测限为0.8 × 10-8 M。由此可见，重复酶阵列SERS传感器在生物分析中具有重要的应用前景；（3）研究了一种无酶检测过氧化氢的SERS传感器的制备方法，通过在玻璃衬底上刻蚀银纳米粒子组装膜检测食品中的H2O2，是一种快速、简单和具有实用价值的传感方法，可以很好的满足食品添加剂残留检测需要，对SERS传感器在日常生产生活中的进一步应用起到了有利的推动作用。