近日，浙江工业大学物理学院刘凡新教授团队和美国南加州大学电子物理系吴蔚教授、中科院半导体所吴江滨研究员及谭平恒研究员、南京大学物理学院詹鹏教授及上海第十人民医院贾成友博士合作，提出基于柔性纳米手指结合标志物分子对应的DNA适配体剪纸技术，构建了具有亚纳米适配体间隙的表面增强拉曼(SERS)检测芯片，可直接使用病人液体血清作为检测样本，实现了在复杂液体血清中直接捕获标志物目标分子到耦合光场中，从而只得到血清中标志物分子的指纹光谱，避免了血清中其它分子的干扰，实现精准目标分子定性检测；此外，利用适配体作为内标分子，实现了目标分子精准定量检测。通过肝癌病人血清中标志物AFP分子及急性心梗病人血清中标志物cTnI分子的临床样本验证（10例病人），证实了本方案的可行性。同时由于芯片具有亚纳米级间隙，可实现单分子层次的检测灵敏度，使得检测限低于荧光检测的1000倍以上。更重要是从样本采集到检测结果的时间小于3分钟，对急性心梗等诊断尤其有用。本工作为SERS应用到医学疾病快速诊断提供了可行性。相关工作以“Targeted Molecular Rapid SERS Diagnosis in Clinical Human Serum Through Aptamer Origami-Collapsed Nanofingers Chip”为题发表在生物传感器领域国际著名学术期刊Biosensors and Bioelectronics（中科院1区TOP）上。浙江工业大学为该成果第一署名单位，浙工大物理学院研究生季倍佳和南加大刘泽睿博士为共同第一作者，刘凡新教授、吴蔚教授、吴江滨研究员、詹鹏教授及贾成友博士为共同通讯作者。
表面增强拉曼(SERS)自1974年被发现以来，由于其分子指纹识别，结合单分子灵敏度的光场增强，一直被认为在医学疾病标志物分子精准诊断有重要应用潜力。目前医院使用的免疫荧光（标志物分子的间接检测，易受抗体-抗原影响产生假阳性），而SERS由于指纹直接检测，无假阳性。但至今过去50年，SERS一直无法应用到疾病临床检测中，主要面临以下挑战：（1）大部分疾病标志物分子长期存在于血清中，只能使用液体血清作为检测样品，且不能清洗，才能保证血清中目标分子精准定量。（2）血清中除目标分子外，还存在几千种以上已知和未知的其它分子等，如何在血清中只检测目标分子而不受其它分子的影响，很难实现精准定性检测。（3）如何在液体血清中实现目标分子的精准定量检测，由于目前结构芯片的局域光场热点均一性差，且光谱强度极易受到液体血清中目标分子的解吸附、激光热效应及光学操作等多因素影响，很难实现精准定量监测。（4）目标分子的单分子高灵敏检测要求微纳耦合光学结构具有精准可控的亚纳米级间隙，但目前物理微加工受电子波动性影响（5纳米以上），无法实现亚纳米间隙芯片的精准可控制备。
针对SERS应用到疾病临床诊断中面临的挑战，本论文通过自主开发的纳米压印技术，制备了大面积（4英寸）、高重复性的柔性纳米手指阵列结构，柔性纳米手指是由高度为250纳米的柔性柱子上沉积50纳米金组成，直径为70纳米，周期为200纳米。这种柔性纳米手指具有一个很突出的特点，即放入液体取出干燥时，由于手指间的微表面张力会驱使相邻手指相互坍塌，靠在一起，由于范德瓦尔斯力作用，纳米手指之间不会再分开。
本论文利用柔性手指在液体干燥相互坍塌的特点，提出结合疾病标志物分子对应的DNA适配体剪纸技术，形成以DNA适配体为间隙的Au手指/适配体/Au手指等离激元耦合结构。这种耦合结构中适配体间隙为亚纳米级，可产生1000倍以上的耦合局域近场增强，从而实现单分子SERS检测。针对一种疾病标志物分子，可构建一种对应的手指耦合结构芯片。把耦合结构芯片作为SERS检测衬底，通过把待测血清直接注满芯片后，液体环境下，间隙中适配体会特异性捕获血清中待测目标分子到耦合近场附近（局域电磁场最强区域）。利用液体显微镜直接聚焦芯片表面，通过间隔1分钟快速测量，这时不会有其它分子移动到表面，可得到目标分子和适配体的拉曼双分子光谱指纹信息，通过它们的指纹特征谱识别，实现血清中目标分子的精准定性测量。进一步，利用适配体作为内标分子，通过目标分子和适配体内标分子的特征峰强度比值，实现精准定量测量。由于检测时间为1秒，总时间可控制在3分钟内。相比荧光检测（超过10分钟），不但具有指纹识别优势，且时间更短。上述检测机制如图1所示。
图 1. 基于纳米手指阵列结合DNA适配体剪纸技术形成的Au手指/适配体/Au手指芯片实现临床血清中生物标志物分子的SERS检测示意图。
图2为Au手指/适配体/Au手指耦合结构芯片的表征。有序纳米手指阵列（图2a）结合适配体孵化形成耦合结构（图2b），暗场光谱测量（图2c,d）及TEM截面分析（图2e）证实了耦合结构的形成。此时耦合光场增强达1000倍（图2f），使SERS增强达1011，满足单分子检测要求。针对检测可行性，首先对肝癌AFP标志物分子的纯品及对应适配体进行了拉曼表征，发现它们虽然有相同的拉曼振动峰，同时也有自己特有的指纹峰，因此，为后续通过双分子光谱进行目标分子检测提供了可行性（图2g）。另外，通过对芯片进行Mapping扫描，发现芯片的热点分布是非常均匀的（图2h）。
图 2. Au手指/适配体/Au手指间隙等离激元耦合结构芯片的表征。
图3为基于手指耦合结构芯片对纯品AFP溶液进行检测。结果表明，随着时间从1分钟增加到7分钟，捕获的AFP数量增加、强度增加。通过选择适配体作为内标分子，建立了不同浓度AFP的浓度曲线。
图 3. 基于Au手指/适配体/Au手指芯片对纯品AFP测量结果。
图4为基于Au手指/适配体/Au手指耦合结构芯片对临床肝癌（HCC）病人血清进行检测，使用的适配体只对标志物分子AFP特异性捕获。结果表明，在病人血清样本中只有AFP和适配体的拉曼指纹特征峰（图4d红线）；而健康人血清中主要是适配体的拉曼特征指纹峰，虽然健康人中也含有少量AFP，由于捕获时间只有1分钟，几乎没有AFP被捕获（图4d蓝线）。但是，如果把病人血清直接滴到芯片上干燥后测量，得到的是多种分子的混合光谱，已经无法确定是否含有AFP（图4d黑线）。此外，通过时间分辨动力学Mapping扫描，发现即使1分钟间隔，也可以捕获到AFP；而健康人血清中即使经过5分钟，只发现非常微弱的AFP 信号（图4a-c）。最后，通过选择适配体作为内标分子，利用所有测量到的AFP平均值及适配体平均值建立了不同浓度AFP浓度曲线。因此，本方案可以对病人液体血清中的标志物分子进行特异性捕获及拉曼指纹识别，不会受其它分子干扰，由于采用内标分子，可降低光学等误差，最终实现精准检测。
图 4. 基于Au手指/适配体/Au手指耦合结构芯片对临床肝癌（HCC）病人血清中标志物分子AFP测量结果。
由于在液体血清中可以快速捕获到标志物分子到芯片表面，对测量时间比较敏感的疾病比较有优势。因此，本文利用芯片对急性心梗临床病人的血清进行了测量，这时，芯片中所使用的适配体只对急性心梗标志物肌钙蛋白 I（cTnI）敏感。结果表明，针对急性心梗病人血清，即使是1分钟间隔，也可以快速捕获到cTnI到芯片表面，完成指纹识别；而健康人血清中cTnI则非常弱（图5a-c）。最后，对拉曼Mapping中的指纹光谱进行分析，发现病人样本中只有cTnI和适配体的混合拉曼特征峰，而没有血清中其他分子信号的干扰（图5d）。
图5.基于Au手指/适配体/Au手指耦合结构芯片对临床急性心梗病人血清中标志物分子肌钙蛋白 I（cTnI）的拉曼检测结果。
总之，本论文通过柔性纳米手指结合目标分子对应DNA适配体剪纸技术，构建Au手指/适配体/Au手指耦合结构SERS芯片，解决了SERS应用到疾病检测所面临的挑战：可直接使用病人液体血清作为检测样本，实现了精准定性和定量测量，且总检出时间3分钟。后续结合指尖血采集（只需极少血清）及手持式拉曼，可实现快速的ICU病房（比较急，且样本数少）、家庭、救护车、偏远地区等不同场景的疾病快速检测。
论文信息
Beijia Ji+, Zerui Liu+, Zhekai Lv, Qihan Yang, Jingyi Sun, Guangxu Su, Yuxuan Xia, Xinxin Yan, Junzheng Hu, Pan Hu, Wanwan Yi, Chengyou Jia*, Jiangbin Wu*, Peng Zhan*, Pingheng Tan, Wei Wu* and Fanxin Liu*. Targeted Molecular Rapid SERS Diagnosis in Clinical Human Serum Through Aptamer Origami-Collapsed Nanofingers Chip.Biosensors and Bioelectronics（https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0956566325004579, Accepted on May 12, 2025）.
