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。本文通過動態(tài)液體集成式單細(xì)胞SERS（DLISC-SERS）平臺無標(biāo)記檢測單個癌細(xì)胞。基于片段加權(quán)相似性的KNN模型可以以高達100%、99.4%和99.5%的靈敏度、特異性和準(zhǔn)確度對單細(xì)胞光譜進行分類，該模型的三向分類準(zhǔn)確率為95.2%，DLISC-SERS平臺是在單細(xì)胞水平檢測癌細(xì)胞的有力工具。

表面增強拉曼散射（SERS）作為一種重要的拉曼檢測技術(shù)，具有靈敏度高、對生物樣品無創(chuàng)、抗光漂白等優(yōu)點，這被認(rèn)為是一種有前途的和很強的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題是在增強拉曼散射時一旦在生物緩沖液如磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中，其具有高離子強度，降低了SERS檢測的靈敏度，使單細(xì)胞檢測變得困難，因此，開發(fā)一種長期、穩(wěn)定、高靈敏度的單細(xì)胞SERS檢測納米探針是迫切而具有挑戰(zhàn)性的。

圖1為DLISC-SERS平臺，圖1a展示了組成平臺的三個模塊：扭曲混合模塊，3D流動聚焦模塊和SERS檢測模塊。圖1b為組裝完成的平臺實物圖（比例尺為10mm），三個模塊使用硅膠管連接形成管狀系統(tǒng)，并通過3D打印保持器固定，以保持整個系統(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。
 

圖2通過模擬與實驗優(yōu)化了微流控混合通道結(jié)構(gòu)：首先對比四種截面形狀，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)化單位長度參數(shù)，確定單位長度≤1 mm時混合效果穩(wěn)定（圖2b(iii)、2e）；*后展示了五種不同通道長度的微流控芯片使用10μM熒光素溶液的扭轉(zhuǎn)混合實驗，拍攝熒光圖像，并通過提取和歸一化穿過觀察區(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/短鏈PEG比例為1:130時探針在PBS中穩(wěn)定30 min（圖3f），pH 8時SERS信號*強（圖3g）；扭曲混合通道的SERS信號為直通道兩倍以上（圖3h–i）；芯片長度5（24 mm）時信號*優(yōu)（圖3j–l）。綜上，為單細(xì)胞檢測提供了*優(yōu)參數(shù)組合。
 

圖5 在DLISC-SERS平臺上對混合樣品進行無標(biāo)記和動態(tài)單細(xì)胞檢測
 

圖4驗證了DLISC-SERS平臺對乳腺癌細(xì)胞（MDA-MB-231）的單細(xì)胞檢測能力：SWS-KNN分類模型對空白與乳腺癌細(xì)胞的分類靈敏度、特異度和準(zhǔn)確度分別達100%、99.4%和99.5%（圖4a-b）；不同預(yù)設(shè)濃度下檢測到的細(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），證實泊松分布模型的適用性（圖4e）。圖5進一步將該平臺應(yīng)用于1:1混合的惡性（MDA-MB-231）與非惡性（MCF-10A）乳腺細(xì)胞的無標(biāo)記分類檢測：SWS-KNN三分類模型的總體準(zhǔn)確率為95.2%（圖5a-b）；對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)建的動態(tài)液體集成單細(xì)胞SERS平臺，憑借其無標(biāo)記、高靈敏、可動態(tài)檢測單細(xì)胞拉曼光譜的優(yōu)勢，為癌癥早期診斷、微小殘留病灶實時監(jiān)測、循環(huán)腫瘤細(xì)胞分析及個性化精準(zhǔn)醫(yī)療提供了非常具有潛力的即時檢測技術(shù)工具。

作者簡介

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)診療國際科技合作基地負(fù)責(zé)人。主要研究方向為基于人工智能、微流控芯片和光學(xué)檢測的單細(xì)胞與單分子智能檢測技術(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，該系統(tǒng)全新升級為930全自動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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