基于SERS纳米标签和光子晶体的单细胞Western Blot定量分析技术研究

With the implementation and promotion of the human genome project, life science research has entered the post-genome era, and proteomics has become the focus of the research. Single cell proteomics can reveal the composition, diversity and heterogeneity of physiological behavior of cell, which is the frontier and key point of cell research. But at the same time, the size of single cell is from several microns to hundreds of microns, and the concentration of protein in single cell covers a very wide range from single molecule to μg/mL. Therefore, a new challenge to the limit and linear range of quantitative detection of analytical techniques is presented. In this project, the quantitative analysis of single cell Western Blot (WB) was carried out using inverse opal photonic crystal nitrocellulose (NC) membrane and SERS nanotag. The photonic band gap and high surface area to volume ratio of the inverse opal photonic crystal can enhance the signal intensity of SERS nanotag and broaden the linear dynamic range, respectively. In addition, SERS nanotag based on specific size and material has the detection sensitivity of fg/mL level. This project aims to lay a theoretical and technical foundation for the establishment of single cell WB quantitative analysis system with high detection sensitivity and wide linear range, so as to effectively promote the development of single cell WB in protein quantitative analysis.

随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已进入了后基因组时代，蛋白质组学成为了研究的焦点。其中单细胞蛋白质组学可以揭示细胞物质组成、生理行为的多样性和异质性，是当今细胞研究的前沿与重点。但同时由于细胞的尺寸在几个到几百个微米，其中所含蛋白质的种类达几万种，且蛋白质的含量涵盖单分子到μg/mL的超宽范围，所以对分析技术的定量检测极限和线性范围提出了新挑战。本项目结合反蛋白石光子晶体硝酸纤维素（NC）转印膜和SERS纳米标签显影剂，对单细胞Western Blot (WB)定量分析技术进行基础科学研究。光子晶体的带边效应和高比表面积分别可以增强SERS标签的信号强度和拓宽线性检测范围。基于特定尺寸和材质的SERS标签具有fg/mL的检测灵敏度。本项目旨在为构建高检测灵敏度和宽线性范围的单细胞WB定量分析体系奠定理论和技术基础，从而有效地推动单细胞WB在蛋白质定量分析中的发展。

随着人类基因组计划的实施和推进，生命科学研究已进入了后基因组时代，蛋白质组学成为了研究的焦点。Western Blot（WB）作为生命科学领域中最常用的技术手段，在蛋白质鉴定方面起着非常重要的作用。传统WB体系的检测信号依赖于荧光或化学发光，其检测灵敏度难以达到单细胞蛋白质检测的需求；此外，荧光或化学发光信号易淬灭和光漂白，这就导致了检测的稳定性不高。本项目结合SERS纳米标签，开发了基于表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，SERS）的WB检测体系（SERS-WB）。SERS由于检测灵敏度高、检测信号稳定、操作简便、快速以及无损检测等特点，在食品安全、公共卫生健康以及生物医学等领域得到了广泛的应用。本研究提出的SERS-WB对靶标蛋白分子甘油醛-3-磷酸脱氢酶（GAPDH）的检测灵敏度达到0.15 pg，而传统的基于荧光的WB体系的检测限仅为ng级别；更加重要的是，SERS-WB检测体系还可以通过SERS纳米标签的颜色信号来直接鉴定蛋白条带，无需荧光或化学发光成像仪的辅助。除此之外，本项目还探究了不同的SERS纳米标签的检测性能：（1）合成了基于金核银壳纳米星的SERS纳米标签，并将其与磁珠结合用于多种抗生素的同时检测；（2）设计了基于金核银壳纳米棒的SERS纳米标签，并将其引入侧向流免疫层析体系，用于精子顶体蛋白SP10的分析；（3）构筑了基于银核金壳纳米粒子的SERS纳米标签，并与磁珠联合开发了游离睾酮的检测平台。这些对SERS纳米标签检测性能的探索为构建具有高灵敏度的WB蛋白质分析体系奠定了坚实的基础。本项目提出的SERS-WB分析平台为单细胞蛋白质组学的发展了提供了全新的途径，具有重要的科学意义与实际应用价值。