基于表面等離子光譜梳和金納米顆粒標(biāo)記的快速超靈敏核酸檢測

01導(dǎo)讀近日，中國計量大學(xué)光學(xué)與電子科技學(xué)院沈常宇教授、周文俊研究員課題組聯(lián)合大連理工大學(xué)彭偉教授課題組等研究了一種基于表面等離子光譜梳和金納米顆粒標(biāo)記的快速超靈敏核酸傳感器，研究成果以“Rapid ultra-sensitive nucleic acid detection using plasmonic fiber-optic spectral combs and gold nanoparticle-tagged targets”為題發(fā)表在Biosensors and Bioelectronics上。

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圖源:Biosensors and bioelectronics(2023)

https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.11571902研究背景 核酸是攜帶和傳遞生物信息的重要遺傳物質(zhì)，普遍存在于所有真核生物、原核生物、病毒和噬菌體中。許多疾病如由細(xì)菌或病毒引起的沙眼衣原體感染、乙型肝炎病毒和人類免疫缺陷病毒等，都可以通過檢測核酸來實現(xiàn)診斷。此外，對于一些易出現(xiàn)假陰性檢測的傳染性致病細(xì)菌，如淋病奈瑟菌、腦膜炎奈瑟菌和肺炎鏈球菌也能實現(xiàn)高效率檢測。目前已有許多傳統(tǒng)的核酸生物傳感方法，如熒光擴增法、表面等離子體共振法、電化學(xué)法和拉曼散射的表面增強法等，并取得了很好的檢測效果。然而，傳統(tǒng)傳感技術(shù)的有限精度可能會導(dǎo)致假陰性結(jié)果，尤其是對于混合/混合樣本檢測。例如，大多數(shù)方法的檢測極限水平約為10?12mol/L（pM）。此外，較多傳統(tǒng)方法需要通過使用多種循環(huán)擴增策略，增加了檢測復(fù)雜性和設(shè)備成本。因此，開發(fā)一種快速且靈敏度高的核酸檢測傳感平臺將是非常必需的和具有重要意義的。03創(chuàng)新研究 眾所周知，傾斜光纖光柵可以激發(fā)眾多的包層模式，并且對光纖表面周圍環(huán)境敏感。當(dāng)光纖包層模式與表面等離子共振相位匹配時，傾斜光纖光柵可以在金表面激發(fā)倏逝表面等離子體共振波。然而，這些表面等離子波對光纖周圍的折射率敏感度大約在10-6至10-7RIU。對于堿基對較少的核酸（例如長度約為6-7nm的核酸），其折射率靈敏度無法滿足核酸檢測。基于此，本研究在引入待測核酸樣品之前，我們在核酸單鏈的3或5端使用硫醇有機化合物將目標(biāo)核酸結(jié)合到金納米顆粒上。當(dāng)金納米顆粒標(biāo)記的靶核酸被吸引到探針核酸時，附著的金納米顆粒也被金膜表面“抓住”，這導(dǎo)致引起金膜表面折射率的局部擾動，實現(xiàn)金膜表面等離子共振的增強，并且能夠?qū)崿F(xiàn)較低核酸濃度檢測。

圖1顯示是本研究核酸檢測示意圖，包括顯示基本原理的基于棱鏡的表面等離子共振示意圖，基于傾斜光纖光柵的表面等離子共振裝置原理圖，探針核酸在鍍金傾斜光纖光柵上的表面功能化示意圖，金納米顆粒和靶核酸之間的結(jié)合示意圖，核酸探針和鍍金傾斜光纖光柵的靶核酸的耦合，探針核酸和靶核酸偶聯(lián)前后的光譜示意圖以及傾斜光纖光柵的金表面上的核酸的示意圖和分子結(jié)構(gòu)圖等。圖2顯示的是1pM目標(biāo)核酸與核酸探針結(jié)合前后的光譜圖及其核酸檢測選擇性圖。

圖1（a）基于棱鏡的表面等離子共振示意圖，（b）基于傾斜光纖光柵的表面等離子共振裝置原理圖，（c）探針核酸在鍍金傾斜光纖光柵上的表面功能化，（d）金納米顆粒和靶核酸之間的結(jié)合，（e）探針和鍍金傾斜光纖光柵的靶核酸的耦合，（f）探針和靶核酸偶聯(lián)前后的光譜示意圖，（g）傾斜光纖光柵的金表面上的核酸的示意圖和分子結(jié)構(gòu)圖。

圖源:Biosensors and bioelectronics(2023)

https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115719 (Fig. 1)

圖2核酸檢測光譜圖及其核酸檢測選擇性圖源:Biosensors and bioelectronics(2023)

https://doi.org/10.1016/j.bios.2023.115719 (Fig. 2, 5)04應(yīng)用與展望該研究提出的基于傾斜光纖光柵-表面等離子共振的超低限核酸傳感器，實現(xiàn)了快速響應(yīng)的原位核酸監(jiān)測，滿足了人們對近實時監(jiān)測的高度需求。此外，基于強度的測量為感測核酸濃度提供了一種潛在的低成本方式。所提出的傾斜光纖光柵-表面等離子共振 核酸傳感器顯示出從1×10?18mol/L到1×10–7mol/L的超寬核酸檢測范圍，超低檢測限為1.0×10?18mol/L（1 aM）。該核酸傳感平臺還能夠通過使用不同的核酸受體來擴展用于檢測各種核酸。此外，該傳感器還具有高穩(wěn)定性、體積小、實時檢測和溫度自補償?shù)葍?yōu)點，我們相信這將在未來幫助人們保持健康和對抗疾病方面具有非常重要的意義。