UMass Amherst 吴年强教授Chem. Soc. Rev.综述:基于荧光与表面增强拉曼散射的即时检测器件和生物成像平台

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    美国马萨诸塞大学阿默斯特分校吴年强教授与研究生杭颖婕在权威期刊《Chem. Soc. Rev.》发表了基于荧光与表面增强拉曼散射的即时检测技术和生物成像的综述文章。

人体组织和体液（血液、血清、血浆、尿液、唾液和脑脊髓液）中物质成分与含量（例如金属离子、小分子、蛋白质和核酸）可以反映生理或病理过程，用于疾病的诊断和治疗效果的评估。目前，这些物质通常使用分光光度法、质谱法、免疫测定法和电泳等大型分析仪器进行体外检测。例如，酶联免疫吸附测定 (ELISA) 和聚合酶链反应 (PCR) 技术分别被认为是可溶性蛋白质和核酸定量的黄金标准。然而ELISA 和PCR检测昂贵，过程繁琐耗时，并且需要专业人员在中心实验室进行操作。因此，急需即时检测(point of care testing, POCT)技术的开发，以满足快速、高通量、廉价、现场、即时体外分析的需求。尤其是新冠肺炎（COVID-19）、猪流感（HIN1）、严重急性呼吸系统综合症（SARS）、疟疾、登革热、基孔肯雅热、黄热病和寨卡病毒等传染病的爆发或流行，更加增加了对即时检测的需求，即在家中、诊所、学校、社区或医院快速检测这些疾病。

为了便于携带，目前已经开发了许多用于体外分析的生物传感器。根据信号转导机制，传感器可分为电子、电化学、声场、磁场、比色、荧光、拉曼器件等不同类型。在这些类型的传感器中，荧光和表面增强拉曼散射（SERS）器件由于其高灵敏度和对样品基质干扰的高抵抗力，在人体体液的体外分析中显示了出巨大的潜力。其中，由于可见光荧光染料具有较高的荧光量子产率，可见光拉曼分子具有大的散射强度，在简单样品基质中信号强，因此可见光荧光和表面增强拉曼散射探针被广泛使用。尽管大多数近红外荧光染料的量子产率低于可见光染料，且拉曼近红外激发后的散射强度更小，但由于近红外对血样基质抗干扰性高，在血样检测中具有优势。另一方面，值得注意的是，并非所有传感器都是即时检测(POCT)技术 ，因为这些传感器仍然需要由训练有素的专业人员在现场甚至实验室中多步操作。实现即时检测的有效手段之一是将传感器集成到微流控芯片中创建生物“芯片实验室”（lab-on-chip）。“芯片实验室”具有实地检测、自动化、快速，最小或非侵入性检测以及外行人可操作等特征，从而将体外诊断 (IVD) 从中心医院扩展到诊所、社区或发病现场。

当前常见的生物成像技术包括磁共振成像 (MRI)、计算机断层扫描 (CT)、超声、X 射线和正电子发射断层扫描 (PETS)。然而，这些技术非常耗时，需要几分钟到几小时才能获得成像结果。此外，图像分析需要专业人员将目标区域与背景区分开来，以确定特定目标。另外，长时间暴露于这些大型仪器的辐射中，可能对人体健康造成风险。相对而言，近红外荧光和表面增强拉曼散射技术无辐射危害，能够实时监测活细胞和组织中表达的基因、病原体、代谢物和药物化合物，提高了诊断的准确性。与可见光分析技术相比，近红外荧光和表面增强拉曼散射能技术能有效地利用生物透明窗口(biological transparency window)，对人体组织具有相对较深的穿透深度而且抗干扰性好，在体内成像中得到越来越多的应用。

本篇综述文章讨论了可见光和近红外荧光以及表面增强拉曼散射在体外即时检测 (POCT) 和体内生物成像中的原理与应用。文章首先讨论了如何利用生物透明窗口提高人体穿透深度和信噪比，也讨论了如何利用生物透明窗口提高对血样基质体外分析的抗干扰；以及如何利用表面等离子体共振（SPR）放大荧光和表面增强拉曼散射信号；并介绍了一些等离子体荧光和表面增强拉曼散射探针。随后，文章总结了荧光和表面增强拉曼散射传感器的设计策略, 以满足对金属离子、小分子、蛋白质和核酸检测的不同需求。为了满足即时检测（POCT）的要求，需构建全能器件（“all-in-one” devices），文中提出了将荧光或表面增强拉曼散射传感器集成到微流控芯片作为“芯片实验室”以实现即时检测的观点，详细介绍了微流体装置的设计方法和用于体外检测的无纸或纸基测流层析试纸条。进一步讨论了近红外荧光和表面增强拉曼散射（SERS）生物成像平台的设计策略，以满足监测活细胞和组织的生理过程与疾病治疗过程。此外，本文还举例了即时检测和生物成像技术在检测毒素、重金属、非法药物、癌症、创伤性脑损伤、新冠肺炎、流感、艾滋病毒和败血症等传染病方面的应用。

图片来源：Chem. Soc. Rev.

作者简介

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吴年强 (Nianqaing Wu)，现任职于马萨诸塞大学阿默斯特分校 (University of Massachusetts Amherst)，Armstrong-Siadat讲席教授，电化学学会会士，英国皇家化学学会会士， 美国医学与生物工程院院士。入选全球高被引学者榜单 (Highly Cited Researchers list，Clarivate Analytics, Thomson Reuters)。获得电化学学会(ECS)传感器杰出成就奖、贝尼顿杰出学者奖、艾丽丝·汉密尔顿职业安全与健康杰出贡献奖以及西弗吉尼亚大学George B. Berry 讲席教授、史泰勒工学院杰出研究员奖。曾担任电化学学会(ECS)董事会成员和传感器分会主席。

吴教授课题组的主要研究方向包括: (1) 太阳能，光催化和光电化学电池，(2) 锂离子电池和超级电容器，(3) 生物传感器、微流控、侧流层析试纸、即时检测技术、生物成像与光动力学治疗。近年来致力于电化学、表面等离激元电荷与能量转移机理研究及其在上述三方面的应用，首次提出了等离激元引发共振能量转移(PIRET)理论模型, 阐述了氧化石墨烯发光的巨红棱机制 (Giant Red-edge Effect)，开发了基于表面增强拉曼光谱的免疫测定生物芯片，研发了用于指尖采血、即时检测的侧流层析试纸。吴教授撰写或合著了200篇期刊论文、3篇专著章节、1部专著《Biosensors Based on Nanomaterials and Nanodevices》。其论文被引用超过26000次，H指数74。更多详情，请访问主页: https://people.umass.edu/nianqiangwu/

论文信息

Visible-light and near-infrared fluorescence and surface-enhanced Raman scattering point-of-care sensing and bio-imaging: a review

Y. Hang, J. Boryczka and N. Wu*, Chem. Soc. Rev., 2022, DOI: 10.1039/C9CS00621D；

原文链接

https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/CS/C9CS00621D

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