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表面增强拉曼SERS距离临床应用还有多远

2018-11-22 09:49:40

目前,对很多应用来说,拉曼光谱已发展成为一种强大的表征技术。但如果要使其在临床分析中更有效,还需要做更多的工作。

随着激光的发现,以及后续激光器和探测器技术的进步,以前发展缓慢的拉曼光谱进入了一个高速的发展阶段。目前,已经证明了拉曼光谱在生物大分子分析方面的应用价值,包括蛋白质、DNA、活细胞、组织和微生物的检测和诊断。

然而,拉曼散射是一个很弱的过程,只有一百万分之一的光子才会发生弹性散射现象。另外一个问题,自体荧光也阻碍了拉曼技术在生物学中的应用。幸运的是,70年代早期,一个新颖的现象被发现,分子接触(或非常接近)贵金属表面,如银和金,拉曼散射信号就会增加了1011倍,由此表面增强拉曼散射(SERS)也就发展起来了。除了散射增强之外,SERS还可以有效淬灭自体荧光。

尽管现在SERS在生物结构的分析方面已经有很多研究,但在我看来,在科学研究和临床应用之间还有一定的距离。此外,如果没弄明白临床应用的需求和流程,这种技术也不可能转化为真正的应用。

例如,对于从一个生物SERS实验中收集的数据,还有几个问题需要仔细考虑,以得到清晰的解释。首先,对于感兴趣的样品的SERS衬底类型需要仔细的选择。它应该是一个纳米结构的表面或胶体纳米颗粒,如金纳米颗粒(AuNP)或银纳米颗粒(AgNP)。如果样品是活细胞,AuNPs或AgNPs是很好的选择。如果样品是微生物,表面或胶体纳米颗粒衬底是的。

选择合适的衬底之后,再现性和适用性的测试也是很重要的。评估获得的光谱信息时应该考虑官能团和贵金属表面的选择性相互作用,如SH、NH2,因为这些交互作用定义了环境。

十年来,我们对这项技术是否可以应用到临床决策中进行了评估。我们利用实验室中发展起来的样品制备方法和检测技术分析了活细胞和死细胞、组织和微生物样本。我们认为还有很多工作需要去做来探索该技术的潜力,因为生物样品不仅非常复杂,而且不同样本之间也存在产异性。

临床中,快速识别传染性微生物在疾病干预方面至关重要。虽然有许多研究证明了利用SERS可以快速识别微生物,但是从临床样本中识别它们的能力尚不清楚。

生物样品的复杂性,如血液和尿液,是减少了解样品状态所需时间的一个主要的障碍。例如,尿液样本中可能有许多化学物质,包括尿素和肌酸酐、溶解的离子、白色和红色的血细胞、蛋白质连同传染性病原体。如果没有完全的清洗或分离,这些成分可能会干扰或阻碍SERS的检测,同时也势必增加分析时间。当然,其中还有几个问题需要解决以确定尿样的感染状况。个问题很简单:样品是否感染? 1毫升尿样中细菌的数量决定了答案,尿液样本包含细菌数大于105cfu /ml被认为感染。然后,我们必须问哪种病原体存在?然后再问是否有一个SERS可以识别的标识物来显示尿液是否感染?这项技术是否可以用于细菌样本的定量分析?这项技术能识别病原体吗?

我们已经知道, SERS可以识别细菌,但从复杂样品中识别细菌仍需进一步的努力以加快这一进程。在我看来,对于以上的部分问题得到积极的答案并不是很远的事情,而且也将缩短SERS进入提高临床决策这个位置所需的时间。

作者:Mustafa Culha

Mustafa Culha的实验室在叶迪特佩大学遗传和生物工程系,该实验室持续进行光谱技术的实用研究,如表面增强拉曼散射(SERS)揭示活细胞、死细胞相互作用,发展用于医学和生物医学的新颖的检测和诊断工具。他在同行评议的国际期刊和几本书的章节中撰写了70多篇论文,拥有若干生物分析化学和纳米技术方面的专利。他是Nanotechnology杂志的SERS研究和Nanoparticle Research纳米生物的特刊编辑,同时他也是应用光谱学编委员会的成员。

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