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基于表面等离子增强瑞利散射的超灵敏生物传感方法的研究
注：文末有研究团队简介及本文作者科研思路分析
在生物传感器中，荧光技术已被广泛使用，但由于荧光分子具有漂白和淬灭的问题，在生物传感器和成像的应用中，具有一定的缺陷。近日，中科院温州生物材料与工程研究所、温州医科大学的王毅团队联合澳大利亚南澳大学，利用表面等离子增强瑞利散射（SPLS）技术，开发了一种超高灵敏度的生物传感器。
在免疫分析中，表面等离子体共振（Surface Plasmon Resonance, SPR）作为免标记的光学检测技术，可以实现生物分子相互作用的实时检测，也是一种高效、多功能的生物传感技术。但是SPR传感器的不足之处在于灵敏度的限制。因此近年来，科研人员利用各种方法来提高SPR生物传感器的灵敏度。其中，利用荧光分子，实现SPR增强荧光的方法，与免标记SPR的方法相比，提高了4个数量级的灵敏度。而这种方法的缺点是当荧光分子接近金属芯片表面时，会有荧光淬灭现象；而且荧光分子在光照下容易被漂白。
王毅团队在SPR生物传感领域，包括SPR增强荧光的技术有多年的研究经验，也深知其技术特点和缺陷。在本工作中，该团队首次提出了SPR增强瑞利散射（SPLS）的技术，并在生物传感器中进行应用。研究证明，在SPR强电磁场作用下，纳米颗粒的瑞利散射可以得到有效的放大，其散射强度与SPR芯片表面电磁场强度成相关性。本研究工作首先通过理论模拟，探讨了传统型SPR（cSPR）和长程SPR（LRSPR）两种模式上，增强纳米颗粒散射的效果，并与纳米颗粒在空白玻璃片上的散射光强度作对比，从理论上为该技术奠定了基础。对于LRSPR，在吸附了金纳米颗粒后，其最大电磁场强度|E|2可以达到入射光强度的3600倍。
基于SPLS技术，他们提出了简单的生物传感模型，即利用多肽分子修饰的直径为36 nm的金纳米颗粒作为散射源，在SPR芯片上利用三明治式免疫分析方法检测心肌钙蛋白I(cTnI)。结果表明：与传统SPR相比，利用LRSPR增强瑞利散射的技术可以实现更低浓度的检测。与纳米颗粒增强SPR的方法相比，瑞利散射技术提高3个数量级的检测灵敏度；而与免标记法直接检测的方法相比，提高了4个数量级。模拟计算和实验结果均显示，SPLS技术可以起到重要的信号放大作用，并成功为生物传感器的灵敏度提高3-4个数量级。
上述成果近期发表在《Analytical Chemistry》上，文章的通讯作者之一是中科院温州生物材料与工程研究所、温州医科大学的研究员王毅。
该论文作者为：Chih-Tsung Yang, Lin Wu, Xiaohu Liu, Nhung Thi Tran, Ping Bai, Bo Liedberg, Yi Wang, and Benjamin Thierry
原文（扫描或长按二维码，识别后直达原文页面，或点此查看原文）：
Exploiting Surface-Plasmon-Enhanced Light Scattering for the Design of Ultrasensitive Biosensing Modality
Analytical Chemistry, 2016, 88, 11924-11930, DOI: 10.1021/acs.analchem.6b03798
王毅研究员简介
王毅，中科院温州生物材料与工程研究所、温州医科大学研究员。2007年于德国马普高分子所攻读博士，于2010年获得德国美因茨大学博士学位，师从Wolfgang Knoll院士。2009年1月-2011年6月在奥地利国家技术研究院作为Scientist从事科学研究，2011年7月-2015年7月在新加坡南洋理工大学，生物仿生和传感科学中心从事科研工作。2015年8月起就职于中科院温州生物材料与工程研究所、温州医科大学。
研究方向主要集中在表面等离子体材料、生物和纳米复合材料等在生物化学传感器方面的应用研究，以及智能手机生物传感器等光学分析仪器、光电集成仪器、光学成像系统和可穿戴诊断设备的开发研究。在相关领域发表SCI论文50余篇，包括Chemical Science, Analytical Chemistry, Materials Today, Small, Nanoscale, Biosensors & Bioelectronics等。主持和参与撰写三本英文著作。担任Light: Science & Applications （Nature子刊）的助理编辑，Science Research编委等。
科研思路分析
Q：这项研究的主要特点优势在什么地方，将有什么应用？
A：本工作所设计的生物传感器，是一种高灵敏的生物传感器。它既具备了传统SPR传感器的优点，又提高了灵敏度。此外，利用SPR增强瑞利散射（SPLS）的技术，有望替代基于易淬灭和漂白的荧光分子检测技术。根据本项工作的结果显示，SPLS技术将在免疫测定中有着非常重要的应用。
Q：开始这项研究的想法是怎么产生的？
A：SPR传感器在生物传感检测方面有着非常突出的优势，但是它自身的最大缺点就是灵敏度不够。因此我们就考虑怎么来提高SPR传感器的灵敏度，而我们在SPR生物传感有多年的丰富经验，特别是在SPR增强荧光（SPFS）的技术方面，我们及之前所在的团队曾开展了大量的SPFS生物传感应用，深知其中的特点和缺陷。后来，我们就考虑利用纳米颗粒代替不稳定的荧光分子，通过测量稳定的瑞利散射改变现有的SPFS技术缺陷。经过理论的推导仿真和实验的验证，最终得到了本工作所呈现的成果。