结合定量表面增强拉曼散射和可见光上转换发光技术的双模式免疫传感器，用于前列腺特异性抗原的检测

《Colloids and Surfaces B: Biointerfaces》：Dual-mode immunosensor combining quantitative surface-enhanced Raman scattering and visual upconversion luminescence for prostate-specific antigen detection

　　

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  利用粗糙的NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒和金纳米针构建了一种负相关的SERS-UCL免疫传感器。
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  基底上的物理粗糙度和PICT效应的协同作用使SERS增强因子达到了1.01 × 10⁶。
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  SERS模式实现了PSA的检测限为1.08 × 10^-9 mg/mL，而UCL模式提供了直观的肉眼可见效果。
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  在临床血清样本中获得了出色的回收率（85–100%），与ELISA结果一致。

引言

前列腺癌（PCa）现在被认为是全球男性中最常见和最具侵袭性的恶性肿瘤之一[1]。尽管前列腺活检仍然是诊断PCa的金标准，但这种侵入性程序不可避免地会引发感染和出血等潜在风险[2]。近年来，前列腺特异性抗原（PSA）已被确立为一种特定的血清生物标志物，为高效筛查PCa提供了高度可行且低侵入性的方法[3]，[4]。特别是，酶联免疫吸附测定（ELISA）由于其高度自动化和标准化，在临床环境中常用于PSA的定量检测[5]。然而，由于其固有的局限性，包括灵敏度低、直观性差和背景噪音高，其广泛应用受到限制[6]，[7]。

在过去的几十年中，人们开发了多种光学传感策略来改进ELISA，以克服上述问题[8]。上转换纳米颗粒（UCNPs）通常使用掺杂稀土的基质，通过连续的光子吸收和能量转移过程，将多个低能量的近红外（NIR）激发转换为更高能量的紫外线（UV）或可见光（Vis）发射[9]，[10]。它们因其微弱的自荧光背景、出色的光稳定性以及对4f-4f电子跃迁的配对禁止特性而产生的窄发射带而受到重视[11]，[12]。这些优势使它们非常适合在复杂生物环境中进行生化检测，因为传统的荧光剂往往信噪比较低[13]。例如，一种利用α-NaYF₄的新型光学生物传感器被开发出来，能够在复杂的临床样本中实现高灵敏度和无背景的生物标志物检测[14]。此外，还开发了一种简化的点印迹免疫测定方法，利用UCNPs实现HSA的高灵敏度和可视化增强定量[15]。尽管这些研究强调了UCL在简化测定设计和提高可视化方面的显著优势，但基于UCL的传感平台在实际应用中仍面临一些限制。首先，UCNPs的量子产率相对于有机染料或量子点来说仍然较低，这限制了在低丰度生物标志物检测中的最终灵敏度[16]，[17]。其次，尽管UCNPs在连续激发下具有出色的光稳定性，但其发光效率仍可能受到局部化学环境的影响，如溶剂极性、表面结合的配体或邻近的生物分子[18]，[19]。更严重的是，单模发光信号提供的信息维度不足，使得难以区分真正的生物信号和非特异性干扰或仪器波动[20]。因此，能够提高分析可靠性的信号策略仍然非常受欢迎。

为了解决这些挑战，结合UCL与其他光学模式的双模检测平台已成为一种有吸引力的方法[21]。在单一架构内耦合两个独立的光学信号，可以相互补充各自的优势，从而显著提高测量的可靠性和操作稳健性[22]，[23]。在这方面，表面增强拉曼散射（SERS）是UCL的理想补充，因为它具有高灵敏度、样品消耗少，并且能够在水环境中提供精确的分子指纹信息[24]，[25]，[26]。为了实现显著的SERS灵敏度，人们付出了大量努力来利用理想的贵金属或半导体纳米结构，这些结构可以基于局域表面等离子体共振（LSPR）效应或依赖于电荷转移过程的有效化学增强效应来触发极大的局部电磁场[27]，[28]。尽管已经提出了各种创新的SERS基底，但人们对通常作为UCL基质的氟化物纳米材料的关注却很少。实际上，这些在高温和高压条件下合成的稀土掺杂氟化物材料通常具有相当粗糙的表面[29]。当拉曼活性分子吸附到这些表面上时，可以预期获得显著增强的拉曼信号，使得这些材料成为双模检测的多功能平台[30]。特别是，这种方法避免了与传统双功能材料相关的复杂制备程序和精细处理，从而为实际应用提供了更实用的途径[31]，[32]。此外，稀土掺杂氟化物的反斯托克斯发光可以与分析物的振动模式共振，为光诱导电荷转移（PICT）提供了一条特殊途径[33]，[34]。例如，Yang等人的最近研究表明，Nd³⁺离子的激发态电子可以转移到吸附的分子上，为这种PICT通道提供了一个明确的例子[35]。然而，通过开发基于具有工程粗糙表面的稀土掺杂氟化物纳米粒子的双功能免疫测定架构，同时实现高灵敏度的生物医学检测和可靠的交叉验证仍然是一个巨大的挑战。这些努力对于推进临床癌症生物标志物的早期筛查和诊断具有重要意义。

鉴于对PCa早期诊断的迫切需求，我们报告了一种创新的双模夹心免疫测定平台，用于超灵敏定量检测和直观的PSA识别。这种多功能架构是通过合理整合4-巯基吡啶（4-Mpy）功能化的金纳米针（GNUs）作为SERS免疫探针，以及粗糙的NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒作为磁分离免疫基底而构建的。值得注意的是，免疫基底的反斯托克斯发光与4-Mpy的振动带重叠，从而提供了共振的光泵浦，激活了一个额外且强大的PICT通道，显著增强了化学增强机制。独特的是，NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒的粗糙表面有效地固定了捕获抗体，并随后富集了目标抗原。因此，该检测平台实现了高灵敏度的PSA定量分析，显示出超低的检测限。值得注意的是，在组装免疫探针后，触发了一种特殊的负相关光学响应，其中SERS的特异性增强伴随着UCL的比例性淬灭。通过结合SERS的定量精度和卓越灵敏度以及UCL的直观可视化，所提出的免疫传感器为复杂生物样本中的准确生物标志物分析提供了一个有前景的范例。

部分摘要

材料和仪器

硝酸钇五水合物（Yb(NO₃)₃·5H₂O，99.9%）、硝酸钆六水合物（Gd(NO₃)₃·6H₂O，硝酸铒五水合物（Er(NO₃)₃·5H₂O，99.9%）、氟化钠（NaF）、柠檬酸（CA）、硝酸银（AgNO₃，99.0%）、十六烷基三甲基溴化铵（CTAB，99.9%）、抗坏血酸（99.9%）和四氯金酸氢盐（HAuCl₄?xH₂O，99.9%）由Aladdin Reagent Co., Ltd.提供。磷酸盐缓冲盐水（PBS，pH：7.0）、Tris缓冲盐水（TBS，pH：7.6）和牛血清。

NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒的特性

通常，使用水热法制备了保持稳定和直观荧光的NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒。在此过程中，NaF与RE的摩尔比被合理调节，这显著影响了NaGdF₄纳米颗粒的形态和结晶度，促进了具有高度粗糙表面的特殊UCL基质的形成。如图1a所示，在相对较低的NaF与RE比例（8:1）下制备的NaGdF₄纳米颗粒呈现出整体光滑的表面

结论

总之，合理设计了一种SERS-UCL双模免疫传感器，用于高灵敏度、定量和直观的PSA检测。值得注意的是，NaGdF₄:Yb³⁺,Er³⁺纳米颗粒的独特纹理表面形态促进了有效的分子富集，而共掺杂稀土离子的本征电子跃迁成功地激活了一个强大的PICT通道到4-Mpy拉曼探针。这种物理富集和化学增强的协同作用产生了令人印象深刻的EF

知情同意和患者信息

已从所有参与者或其法定代理人处获得了参与研究的书面知情同意和文章发表的同意。参与者的隐私权得到了保护。

人类研究

本研究遵循了研究所在地的相关法律、法规框架和指南进行。

本研究得到了宁波大学附属阳明医院伦理委员会的批准。

（批准编号：2026-01-001）

CRediT作者贡献声明

蒋涛：写作 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集。张玉婷：研究。陈俊宇：研究。吴欧阳梅：研究。周瑞阳：研究。徐盼青：写作 – 初稿，方法论，研究，数据管理。严扬：研究。谢青：研究。姚伟根：写作 – 审稿与编辑，监督。潘云宁：写作 – 审稿与编辑，项目管理，资金筹集。

利益冲突声明

作者声明没有利益冲突。

致谢

本工作得到了宁波市关键研发项目（拨款编号：2024Z220）、浙江省自然科学基金（拨款编号：KLY25H200010）、国家自然科学基金（拨款编号：62375146）、宁波大学杰出青年学者力学交叉学科基金（拨款编号：ZX2025000403）和宁波市公共 Welfare 科学技术计划（拨款编号：2025S145）的支持。

徐盼青|谢青|严扬|陈俊宇|张玉婷|周瑞阳|吴欧阳梅|蒋涛|潘云宁|姚伟根