一种用于超灵敏适配体基SERS检测和重金属离子原位成像的凹形纳米间隙

《Analytical Chemistry》：A Concave Nanogap for Ultrasensitive Aptamer-Based SERS Detection and In Situ Imaging of Heavy Metal Ions

重金属污染可通过凹面纳米立方体辅助的表面增强拉曼散射（SERS）平台实现高灵敏度检测与原位成像，该平台利用纳米间隙稳定aptamer构象，减少假阳性信号，检测范围覆盖0.1 nM至1000 nM，并成功应用于斑马鱼幼虫汞离子分布成像及铅、镉离子的多金属检测。

　　重金屬污染對人類健康造成不可逆的損害，這已成為全球環境與公共衛生領域的重要課題。在環境監測與生物醫學研究中，迫切需要一種既能精確識別又具備實時成像能力的技術。表面增強拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）因其獨特的指紋譜、非破壞性分析、高靈敏度以及幾乎無自發螢光的特性，成為重金屬檢測的有力工具。然而，SERS平台在實際應用中仍面臨一些技術挑戰，例如假陽性信號的產生。這主要與探針分子在納米顆粒表面的空間誤配或非特異性結合有關。為此，研究人員一直在探索改進SERS性能的策略，以提高其在複雜生物樣本中的準確性和可靠性。

本研究提出了一種基於凹面納米立方體（Concave-Facet Nanocubes, CF NCs）的SERS平台，旨在解決假陽性問題，並實現對重金屬離子的高靈敏度檢測與實時成像。CF NCs的設計理念源自其獨特的幾何結構——凹面納米結構能創造出足夠大的納米間隙（nanogaps），這些間隙可以有效地固定探針分子，如適配體（aptamers），同時避免因探針壓縮或移動導致的誤判。適配體是一種具有高度穩定性、易於標記和可程式化結構的生物分子，它們能與特定金屬離子形成高親和力的結合，從而作為SERS探針，間接反映目標離子的濃度。這種設計不僅提高了SERS信號的強度，還降低了假陽性率，使得該平台在生物樣本中具有更廣的應用前景。

CF NCs的結構特點使其在SERS信號增強方面表現突出。與傳統的納米顆粒相比，CF NCs的凹面設計減少了探針分子與納米顆粒表面的重疊，從而有效避免了非特異性結合。此外，凹面納米結構還能產生強烈的局部電磁場（Localized Electromagnetic Fields, EMFs），即所謂的“熱點”（hotspots），這有助於提升SERS信號的靈敏度與穩定性。在實驗中，研究人員利用含有4-mercaptobenzimidazole（4-MB）的金銀核殼納米立方體（Au/4-MB@Ag NCs）作為基礎材料，並通過電化學反應進一步製備出具有凹面結構的CF Au/4-MB@Ag NCs。這種結構不僅能提供足夠的空間容納適配體，還能通過其獨特的幾何形狀優化電磁場的分布，從而提高SERS的信號增強效果。

在CF Au/4-MB@Ag NCs的製備過程中，研究人員通過控制不同化學反應的速率，成功調節了納米間隙的大小。這種調節能力使得納米結構可以根據不同的應用需求進行優化。適配體的選擇與標記是本研究的關鍵環節之一。例如，對於汞離子（Hg2?），研究團隊選用了富含胸腺嘧啶（T）的適配體，並在其3'端引入硫醇基團，使其能夠與納米顆粒表面結合。適配體的另一端則標記了拉曼報告分子（如Bodipy R6G），用以記錄SERS信號。當Hg2?與適配體結合時，適配體會發生結構變化，使其更接近納米顆粒表面，從而放大報告分子的拉曼信號。這種機制使得Hg2?的檢測範圍達到了0.1至1000 nM，其檢測限低至0.1 nM，顯示出極高的靈敏度。

除了Hg2?，CF Au/4-MB@Ag NCs還被成功應用於其他重金屬離子，如鉛（Pb2?）和鋅（Cd2?）的檢測。研究團隊利用針對Pb2?的DNAzyme（如17E）和針對Cd2?的適配體，並在其上標記不同的報告分子（如Cy5和甲基藍），以實現對不同離子的選擇性識別。實驗結果表明，CF Au/4-MB@Ag NCs在不同濃度的Pb2?和Cd2?檢測中均表現出良好的線性關係，其檢測範圍分別為0.1至100 nM和10 μM至10 nM，且相關係數均超過0.99。這表明該平台不僅具有高靈敏度，還具備廣泛的適應性，可應用于多種重金屬離子的檢測。

在生物成像方面，CF Au/4-MB@Ag NCs展示了其在活體組織中應用的潛力。研究人員將CF Au/4-MB@Ag NCs-aptamer探針應用於斑馬魚幼蟲，並成功實現了對Hg2?離子的實時分布成像。斑馬魚作為模式生物，其體內重金屬的積累模式與人類相似，因此這種成像方法不僅有助於理解重金屬在生物體內的傳輸機制，還為評估其毒性提供了一種高效的工具。實驗結果顯示，Hg2?在斑馬魚的鰓、眼睛、大腦、肝臟、腎臟和部分肌肉組織中均有顯著積累，尤其是在高劑量短時間暴露的情況下。這種分布模式揭示了重金屬在生物體內的積累途徑，並為未來的環境健康評估提供了重要數據。

在實驗方法上，研究團隊採用了多種技術手段，包括透射電子顯微鏡（TEM）、掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）以及拉曼光譜分析。這些技術不僅用於驗證CF Au/4-MB@Ag NCs的結構特性，還用於評估其在不同環境中的表現。例如，在實驗中，研究人員將CF Au/4-MB@Ag NCs與不同濃度的Hg2?溶液混合，並在硅晶片上進行干燥後進行拉曼光譜分析。此外，他們還對實際樣本進行了測試，包括自來水和中藥材（如薏苡仁和牛蒡子）。實驗結果表明，即使在複雜的樣本基質中，CF Au/4-MB@Ag NCs仍能保持良好的信號穩定性，且檢測結果與標準溶液一致，回收率在80%至120%之間，顯示出高度的準確性。

CF Au/4-MB@Ag NCs的優化設計還體現在其對假陽性信號的抑制能力上。傳統的SERS平台往往因探針分子的非特異性結合或空間分布不均而產生誤報。而CF NCs的凹面結構能有效減少這種情況，使得探針分子的結合更加精確。此外，研究團隊通過引入內標分子（Internal Standard, IS），進一步提升了信號的穩定性與一致性。IS分子的拉曼信號在不同濃度的樣本中保持較低的波動，這使得CF Au/4-MB@Ag NCs-aptamer探針在定量分析中具有更高的可靠性。實驗數據表明，該平台在不同批次的樣本中均能保持良好的重複性，其信號的相對標準偏差（RSD）低於10%，顯示出良好的一致性。

在應用拓展方面，CF Au/4-MB@Ag NCs的設計思路具有一定的通用性。適配體和DNAzyme的選擇可根據目標離子的特性進行調整，從而實現對不同重金屬離子的靈敏檢測。這種靈活的設計使得該平台不僅限於Hg2?，還可應用於其他具有弱拉曼信號或無拉曼信號的物質。此外，CF NCs的結構特點使其在生物樣本中具有良好的兼容性，能夠在不破壞樣本結構的情況下進行實時成像。這對於環境監測、生物毒性研究以及臨床診斷均具有重要意義。

總體而言，本研究提出的CF Au/4-MB@Ag NCs-aptamer SERS平台，不僅解決了傳統SERS技術中假陽性信號的問題，還實現了對重金屬離子的高靈敏度檢測與實時成像。該平台的結構設計與分子標記策略為未來的環境與生物醫學研究提供了新的思路。此外，CF NCs的製備方法具有良好的重複性與可擴展性，使其在實際應用中更具可行性。隨著SERS技術的不斷發展，這種基於凹面納米結構的探針設計有望成為重金屬污染監測與生物毒性研究的有力工具，並在未來的環境保護與公共衛生領域發揮更大作用。