获奖项目简介
2024年分析测试科学奖一等奖:用于多因子生物检测与成像分析的双指纹拉曼测量技术
完成单位:武汉纺织大学,武汉大学
完成人:沈爱国、胡继明、朱伟、李伟、周晓东
成果简介:申请人将拉曼散射(RS)、表面增强拉曼散射(SERS)和受激拉曼散射(SRS)等多种拉曼测量技术融为一体,以新的分子/纳米材料的设计合成为突破口,提出“双指纹”拉曼检测新概念,革新拉曼测量技术并创制专用仪器装置,在多因子快速解析与成像分析方面取得系列创新成果:(1)探索贵金属多维纳米结构合成机制,提出构筑尖端或粒子内隙、间隙等“热点”2D/3D均匀排布的微区表面,提升了SERS直接检测的灵敏度和重现性。(2)优化SERS标签并将其用于复杂生物体液中生物大分子、有机小分子/离子的SERS间接检测,以及“细胞-组织-活体”三层次、多因子靶向成像。(3)合成多种生物静默区(1800-2800 cm-1)具备“窄带单峰”拉曼散射特性的标记/响应分子、聚合物单体及有机金属配位聚合物,创制了“点击SERS”等一系列可用于多因子液体活检和生物成像的拉曼编码技术。
上述成果主要依托3个国家自然科学基金项目完成,在J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Anal. Chem.等杂志发表SCI论文38篇,其中一区论文15篇,影响因子大于10的论文8篇,他引653次。申请人成功研制可批量制备高重现SERS芯片的①“湿法镀金自动化仪”以及与之匹配的②“微区多孔板表面增强拉曼检测系统”,以及尚属市场空白的③微生物快速检测仪。
创新点及科学价值:
(1)探索水相精细合成和表界面“限域生长”贵金属多维纳米结构机制,提出构筑尖端(tips)或粒子内空隙(intra gaps)以及粒子间隙(inter gaps)等“热点”2D/3D 均匀排布的微区表面有助于提升“Point-of-use SERS”直接检测(获取小分子群“自然指纹”)的灵敏度和重现性,为低成本的湿化学法批量制备均匀性的 SERS 芯片奠定了科学基础。
(2)优化 SERS 标签“拉曼信号分子-增强基底-保护壳层-靶向分子”四位一体的组成/结构,揭示其与目标物的作用方式及其 SERS 响应规律,为将其用于复杂生物体液中生物大分子、有机小分子/离子的“Point-of-use SERS”间接检测,以及“细胞-组织-活体”三层次的多因子靶向成像提供了全新的思路。
(3)系统解析含三键分子的结构与拉曼散射的关系,合成了多种生物静默区(1800-2800 cm-1)具备“窄带单峰”拉曼散射特性的标记/响应分子、聚合物单体及有机金属配位聚合物,创制了“点击SERS”、“混频SERS”和“组频SERS”等一系列可用于多因子液体活检和生物成像的拉曼编码技术(获取大分子群“人造指纹”)。
面向复杂样品的全分析(大分子和小分子两个层次上的多因子检测)不仅在学术思想上是新颖、超前的,而且在理想的化学测量技术和方法的创新创制上也是一块“处女地”。
社会经济效益:微生物检测仪针对药厂、手术室等高洁净空间亟需,填补市场空白,可实现室内空气中微生物快速计数(小于 30 min)。湿法镀金自动化仪和微区多孔板表面增强拉曼检测系统已分别实现样机和销售级设备的研制,前者经过专门测试机构测试各项指标,后者完成两台销售。广西电网公司借助湿法镀金自动化仪制备的 SERS 芯片,已分别实现变压器油中糠醛(检出限优于 0.1 mg/L)、苯并三氮唑(检出限优于 10 mg/kg)和二苄基二硫醚(检出限优于 10 mg/kg)的现场直接检测,目前工况良好,运行正常。
应用前景:SERS 技术既能通过标记探针间接检测目标物,又能对复杂体系生物组分进行无分离、直接检测来获取目标体系的指纹信息,是开展生物非定向分析极富潜力的绝佳工具,将“大分子间接检测获取人造指纹”与“小分子直接检测获取自然指纹”完美融合,既体现了样品不同层次生物学信息的互补和统一,又遵循了仪器技术和方法的一脉相承。在不久的将来,生物体液、食品以及环境样品的非定向分析领域,SERS技术不论是检测理念还是专用装置都将会逐步接受实践和时间的检验。