主动式、智能表面增强拉曼检测（SERS）探针可实现可控靶向目标物质｜哈工大马星课题组新进展

哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院马星教授课题组报道了一种主动式、智能表面增强拉曼检测（SERS）探针可实现可控靶向目标物质，同时具有自清洁功能，克服了传统SERS探针污染后无法多次使用的问题。同时， SERS探针通过辅助增强细胞内吞作用进入细胞内部，利用自旋转运动加大了SERS探针与细胞质中多种物质分子的接触，获得的更加丰富的细胞内生物信号。文章以“Magnetic Nanomotor-Based Maneuverable SERS Probe”为题发表在Research上（Research, 2020, 7962024, DOI: 10.34133/2020/7962024）。

1、研究背景

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种能够对极低浓度样品进行指纹峰识别的检测技术。通过分析特征拉曼位移可以获取检测样本的化学键信息，同时SERS具有快速、无损检测的特点，被广泛应用到生物传感领域。然而传统的SERS探针通常为贵金属（例如：金、银等），通过贵金属颗粒表面的纳米结构来产生表面等离子体共振，实现拉曼信号的增强。对于生物检测领域，通常将待检样品加入到SERS芯片上或者在待检样品中加入过量的SERS探针（例如：金或银纳米颗粒）。通过被动的扩散作用，SERS探针与待检样品相互接触，该方式缺乏可控性和检测准确性。因此，制备具有自驱动能力和小尺度下可操控的SERS探针成为一个重要的研究课题。

2、研究现状

哈尔滨工业大学（深圳）马星教授课题组通过水热法合成Fe3O4颗粒,并通过磁场诱导自组装的方法制备出表面包覆二氧化硅的磁性棒状微纳米马达。紧接着通过银镜反应，在二氧化硅表面生长出银纳米颗粒，作为表面增强拉曼检测的纳米热点（图1）。

图1 基于棒状磁性微纳米马达SERS探针制备与表征

该SERS探针以磁场驱动微纳米马达作为运动精准可控的操作平台。通过外部施加梯度磁场，可以实现该SERS探针的定向运动，在微纳米尺度下可以精准地到达检测位置。当外部磁场由梯度磁场转变为旋转磁场，SERS探针也会由定向运动转换为旋转运动，可以实现在微小尺度下SERS探针与周围物质的快速交换。传统的SERS探针通常有容易被“污染”的问题并且无法实现多次重发使用。基于微纳米马达的SERS探针（MNM-SP）具有良好的运动特性，设计了如图2所示芯片，MNM-SP可以在对样品1完成检测后，回到清洗池中进行自清洗，除去表面的检测样品后，再自驱运动到样品2进行检测。

图2 靶向SERS传感检测与SERS-SP自清洗

随后，我们进一步验证了MNM-SP对细胞的拉曼检测。在梯度磁场的作用下，MNM-SP可以精确靶向目标细胞。在磁场力的辅助作用在，MNM-SP可以通过细胞内吞作用快速进入细胞内部。对比在不加和施加旋转磁场的两种情况下的实验结果发现，采集到的拉曼信号有显著的区别。MNM-SP在细胞内通过旋转作用可以快速与内含体隔离的细胞质中不同物质分子接触，因此可以获得更加丰富的细胞质中分子信号（图3）。

图3 基于磁驱动微纳米马达表面增强拉曼光谱细胞内生物信号检测

3、未来展望

基于微纳米马达的表面增强拉曼检测探针，能够充分发挥微纳米马达在微小尺度下的精准运动控制和表面增强拉曼光谱的超灵敏检测能力。作者验证了MNM-SP的自清洁能力，能够克服传统SERS探针容易被“污染”问题，同时验证了通过MNM-SP自身的旋转作用，能够在细胞内获得更加丰富的拉曼信号。该MNM-SP有望为未来主动式、智能化SERS探针的研究提供新的研究思路，在生物传感检测领域具有巨大的应用前景。

4、作者简介

马星，哈尔滨工业大学（深圳）材料科学与工程学院教授。2013年在新加坡南洋理工大学获得材料科学与工程博士学位，研究方向为多功能纳米材料的生物应用。随后，在德国马克斯-普朗克智能系统研究所从事自驱动微纳米颗粒主动药物传输载体的研究工作，并获得德国洪堡博士后基金资助。2016年7月，获得德国马普智能所2016年度杰出青年科学家奖（Günter Petzow Prize）。目前主要从事生物医用微纳米机器及其智能传感检测的研究工作。

《Research》是中国科协与美国科学促进会于2018年共同创办的定位为国际化、高影响力、世界一流水平、综合性、大型OA科技期刊，是美国《Science》自1880年创刊以来第一本合作期刊。主要发表生命科学、新材料、新能源、人工智能、微纳米科学、环境科学、机械科学、机器人与先进制造8个具有巨大发展潜力的热点交叉领域突破性研究成果。目前已建立了93人的国内外各占50%、具有国际影响力的编委会，主编(中国)为西北工业大学常务副校长、中科院院士黄维，主编(国际)为美国明尼苏达大学麦克凯特杰出教授崔天宏。已被CAS、CNKI、CSCD、DOAJ、EI、ESCI、INSPEC、PMC、Scopus数据库收录。

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