西安電子科技大學(xué)胡波教授課題組在Analytical Chemistry期刊發(fā)表了題為“Dynamic Liquid Integrated Single-Cell SERS Platform Based on the Twisted Mixing Microfluidic Chip and Multi-Modified Nanoprobe for the Label-Free Detection of Cancer Cells"的論文。本文通過(guò)動(dòng)態(tài)液體集成式單細(xì)胞SERS（DLISC-SERS）平臺(tái)無(wú)標(biāo)記檢測(cè)單個(gè)癌細(xì)胞。基于片段加權(quán)相似性的KNN模型可以以高達(dá)100%、99.4%和99.5%的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確度對(duì)單細(xì)胞光譜進(jìn)行分類，該模型的三向分類準(zhǔn)確率為95.2%，DLISC-SERS平臺(tái)是在單細(xì)胞水平檢測(cè)癌細(xì)胞的有力工具。

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）作為一種重要的拉曼檢測(cè)技術(shù)，具有靈敏度高、對(duì)生物樣品無(wú)創(chuàng)、抗光漂白等優(yōu)點(diǎn)，這被認(rèn)為是一種有前途的和很強(qiáng)的POCT技術(shù)，用于癌細(xì)胞結(jié)果與討論。但目前存在的主要問(wèn)題是在增強(qiáng)拉曼散射時(shí)一旦在生物緩沖液如磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中，其具有高離子強(qiáng)度，降低了SERS檢測(cè)的靈敏度，使單細(xì)胞檢測(cè)變得困難，因此，開發(fā)一種長(zhǎng)期、穩(wěn)定、高靈敏度的單細(xì)胞SERS檢測(cè)納米探針是迫切而具有挑戰(zhàn)性的。

圖1為DLISC-SERS平臺(tái)，圖1a展示了組成平臺(tái)的三個(gè)模塊：扭曲混合模塊，3D流動(dòng)聚焦模塊和SERS檢測(cè)模塊。圖1b為組裝完成的平臺(tái)實(shí)物圖（比例尺為10mm），三個(gè)模塊使用硅膠管連接形成管狀系統(tǒng)，并通過(guò)3D打印保持器固定，以保持整個(gè)系統(tǒng)的同軸狀態(tài)。圖1c為扭曲混合微流控芯片單通道單元的構(gòu)造流程，是由等腰直角三角形持續(xù)扭轉(zhuǎn)形成的扭轉(zhuǎn)混合通道。圖1d為多功能納米探針Ag NSs@PEG@3COOH的示意圖，被開發(fā)用于單細(xì)胞SERS檢測(cè)。
 

圖2通過(guò)模擬與實(shí)驗(yàn)優(yōu)化了微流控混合通道結(jié)構(gòu)：首先對(duì)比四種截面形狀，確定等腰三角形混合效果*佳（混合指數(shù)0.9984，圖2b(i)、2c）；其次在等腰三角形基礎(chǔ)上優(yōu)化扭轉(zhuǎn)角度，發(fā)現(xiàn)30°時(shí)混合效果*佳（圖2b(ii)、2d）；然后固定30°等腰三角形截面，優(yōu)化單位長(zhǎng)度參數(shù)，確定單位長(zhǎng)度≤1 mm時(shí)混合效果穩(wěn)定（圖2b(iii)、2e）；*后展示了五種不同通道長(zhǎng)度的微流控芯片使用10μM熒光素溶液的扭轉(zhuǎn)混合實(shí)驗(yàn)，拍攝熒光圖像，并通過(guò)提取和歸一化穿過(guò)觀察區(qū)域的紅色虛線獲得熒光分布曲線（圖2f）。
 

圖3多功能化修飾納米探針的性能
 

圖3系統(tǒng)優(yōu)化了多功能納米探針（Ag NSs@PEG@3COOH）及扭曲混合芯片的*優(yōu)條件：TEM和UV-vis及Zeta電位證實(shí)星形結(jié)構(gòu)修飾完好、PEG成功修飾且表面電負(fù)性可控（圖3a–e）；優(yōu)化確定長(zhǎng)/短鏈PEG比例為1:130時(shí)探針在PBS中穩(wěn)定30 min（圖3f），pH 8時(shí)SERS信號(hào)*強(qiáng)（圖3g）；扭曲混合通道的SERS信號(hào)為直通道兩倍以上（圖3h–i）；芯片長(zhǎng)度5（24 mm）時(shí)信號(hào)*優(yōu)（圖3j–l）。綜上，為單細(xì)胞檢測(cè)提供了*優(yōu)參數(shù)組合。
 

圖5 在DLISC-SERS平臺(tái)上對(duì)混合樣品進(jìn)行無(wú)標(biāo)記和動(dòng)態(tài)單細(xì)胞檢測(cè)
 

圖4驗(yàn)證了DLISC-SERS平臺(tái)對(duì)乳腺癌細(xì)胞（MDA-MB-231）的單細(xì)胞檢測(cè)能力：SWS-KNN分類模型對(duì)空白與乳腺癌細(xì)胞的分類靈敏度、特異度和準(zhǔn)確度分別達(dá)100%、99.4%和99.5%（圖4a-b）；不同預(yù)設(shè)濃度下檢測(cè)到的細(xì)胞光譜數(shù)量隨濃度升高而增加（圖4c-d），且與預(yù)設(shè)濃度呈良好線性關(guān)系（R2=0.983），證實(shí)泊松分布模型的適用性（圖4e）。圖5進(jìn)一步將該平臺(tái)應(yīng)用于1:1混合的惡性（MDA-MB-231）與非惡性（MCF-10A）乳腺細(xì)胞的無(wú)標(biāo)記分類檢測(cè)：SWS-KNN三分類模型的總體準(zhǔn)確率為95.2%（圖5a-b）；對(duì)混合樣本中三類光譜（空白、乳腺癌細(xì)胞、乳腺細(xì)胞）的分類結(jié)果顯示，兩種細(xì)胞光譜計(jì)數(shù)比值平均為1.011，與輸入比例高度吻合（圖5c-e）。

總結(jié)：

該研究基于扭曲混合微流控芯片與多功能納米探針構(gòu)建的動(dòng)態(tài)液體集成單細(xì)胞SERS平臺(tái)，憑借其無(wú)標(biāo)記、高靈敏、可動(dòng)態(tài)檢測(cè)單細(xì)胞拉曼光譜的優(yōu)勢(shì)，為癌癥早期診斷、微小殘留病灶實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、循環(huán)腫瘤細(xì)胞分析及個(gè)性化精準(zhǔn)醫(yī)療提供了非常具有潛力的即時(shí)檢測(cè)技術(shù)工具。

作者簡(jiǎn)介

胡波，西安電子科技大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，西安智能精準(zhǔn)診療國(guó)際科技合作基地負(fù)責(zé)人。主要研究方向?yàn)榛谌斯ぶ悄堋⑽⒘骺匦酒凸鈱W(xué)檢測(cè)的單細(xì)胞與單分子智能檢測(cè)技術(shù)開發(fā)。在Advanced Science、ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics等期刊發(fā)表論文多篇。
 

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本研究的拉曼光譜采用Finder系列拉曼光譜儀檢測(cè)，該系統(tǒng)全新升級(jí)為930全自動(dòng)化拉曼光譜分析系統(tǒng)，如需了解該產(chǎn)品，歡迎咨詢。

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