引言

過氧化氫參與細胞內生理活動，對細胞代謝產物調節和生理過程至關重要，在單細胞水平上定性識別、定量表征過氧化氫可更全面揭示異質性細胞特征，促進疾病檢測和藥物篩選的發展。單細胞由于其結構多樣性、快速代謝物動力學特征和難以預測的信號放大等因素影響，活體單細胞檢測仍非常具有挑戰性。SERS技術具備非侵入性、低自發熒光、高靈敏度等優勢，已成為檢測分析細胞代謝產物的前景技術，可用于核酸、氨基酸、脂質、葡萄糖、神經遞質等體系研究。然而，由于基底不可逆聚集和靶生物分子的非特異性吸附等因素影響，SERS技術仍有低重復性、低再現性等缺點。同時由于普通光學顯微鏡難以定位追蹤待測物，SERS技術在復雜生物體系應用仍受很大限制。在這方面，暗場顯微鏡采用特殊的照明方式，只允許樣品散射的信號進入物鏡內，可克服常規光學顯微針對均一樣品中的微小結構成像時，透射或反射襯度不足的問題，利用這個方法可以看見突破衍射極限的微粒子。暗場散射和SERS技術相結合，有望實現原位實時活細胞中代謝物檢測。

南京師范大學王琛教授課題組在Au納米粒子上覆蓋二維共價有機框架（COFs）構建尺寸可控、富集力強、穩定性高和生物相容性更好的核殼結構(Au@COF)生物傳感器。并用拉曼光譜/暗場散射成像雙模技術實時監測活細胞中過氧化氫代謝物水平。實驗結果證明，該生物納米傳感器簡單、高效，可實現過氧化氫和細胞代謝產物的在線檢測。本研究為開發基于COF的SERS生物傳感平臺提供了實驗思路，為細胞代謝產物相關疾病早期診斷提供一種有效方法。

結果分析

本文通過在Au納米粒子上覆蓋二維共價有機框架（COFs），COFs殼層結構均勻包裹Au納米粒子，提高基底穩定性；納米級多孔結構有效富集生物分子，提高分子濃度和靈敏度；多孔COFs層可消除不均勻分子吸附，使基底具備高穩定性和高抗干擾性，此外，COFs具有良好生物相容性。利用SERS/暗場散射雙模檢測技術，有效定位追蹤單個細胞靶向微區，實現原位監測細胞中H₂O₂代謝產物。

圖1 Au@COF納米傳感器合成示意圖、拉曼光譜圖和暗場顯微圖像

圖2（A）Au@COF/MPBA納米傳感器感應機制。（B） MPBA、MPBA與H2O2和HBT的拉曼光譜。（C） Au@COF/MPBA被不同氧化后的拉曼光譜圖（D） Au@COF/MPBA被不同氧化后的I₁₀₇₅/I₁₀₂₃拉曼峰強度比，Au@COFn濃度為0.5 nM

圖3 （A） 不同H₂O₂濃度下， B-O-H變形振動的1023 cm^?1拉曼峰；（B）I₁₀₇₅/I₁₀₂₃拉曼峰強度比與H₂O₂濃度函數關系（C）I₁₀₇₅/I₁₀₂₃拉曼峰強度比率與時間變化關系，Au@COF為0.5nM

圖4（A） COF外殼保護作用示意圖，COF外殼阻擋大分子進入；（B）細胞培養基中不同H₂O₂濃度下Au@COF/MPBA的拉曼光譜圖；（C-D）細胞培養基和BSA溶液中，I₁₀₇₅/I₁₀₂₃拉曼峰強度比與H₂O₂濃度函數關系，Au@COF為0.5nM。

圖5 Au@COF/MPBA納米傳感器用于細胞內成像；（A）共焦顯微鏡檢測光路示意圖；（B） MCF-7細胞在Au@COF/MPBA孵育后的明場、暗場圖像；(C-D)不同采樣點的拉曼光譜圖，1-3采樣點在1023和1075cm^-1有拉曼峰，Au@COF濃度為0.25nM。

圖6 細胞內不同藥物處理后H₂O₂的成像圖；(A)未處理的細胞,(B)2 mg·mL^?1的NAC，（C）1 mM PMA和（D）200 mM H₂O₂；從左到右依次為明場（BF）圖像、暗場（DF）圖像、拉曼Mapping圖像和合成圖像。紅色圖為1075 cm^?1拉曼峰Mapping圖，紅色圖為1023 cm^?1拉曼峰Mapping圖。Au@COF濃度為0.5nM。

結論

在本文中，王琛教授課題組設計一款高穩定性、尺寸可控、富集力強和生物相容性高的核殼結構Au@COF納米生物傳感器。采用拉曼光譜/暗場散射成像雙模技術實時監測活細胞中過氧化氫代謝物水平。盡管目前納米傳感器仍處于起步階段，Au@COF納米傳感器由于COF外殼吸附效應和Au核LSPR效應，可實現不同探針分子類型，為活細胞代謝物檢測提供一種前途策略。

南京師范大學王琛教授課題組簡介

王琛，南京師范大學化學與材料科學學院教授，博士生導師，國家優秀青年科學基金獲得者（2020年），江蘇省“青藍工程”優秀青年骨干教師、中青年學術帶頭人；南京師范大學本科、碩士，2011年博士畢業于南京大學化學化工學院生命分析國家重點實驗室，2012-2016南京大學從事物理學博士后，2016-2017年麻省理工學院（MIT，美國）訪問學者。至今，在Angew. Chem. Int. Ed., Sci. China Chem., Nano lett., ACS Nano, Anal. Chem.等學術期刊發表研究論文60 余篇；參編英文圖書 《Nanobiosensors: From Design to Applications》(Wiley)；主持多項國家自然科學基金、江蘇省重點研發、江蘇省自然科學基金等項目；擔任Chinese Chemical Letters期刊編委，中國分析測試協會青年學術委員會委員，江蘇省材料學會副秘書長。

文章信息

本文以“SERS and dark-field scattering dual-mode detection of intracellular hydrogen peroxide using biocompatible Au@COF nanosensor”為題發表在Sensors and Actuators: B. Chemical期刊上。南京師范大學王琛老師為通訊作者。

本研究暗場顯微圖像和拉曼光譜數據使用的是北京卓立漢光儀器有限公司RTS2 多功能激光共聚焦顯微拉曼光譜儀，如需了解該產品，歡迎咨詢。

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