CN108603842A - 用于评估活细胞状态的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种使用表面增强拉曼光谱(SERS)评估活细胞状态的方法。该方法可包括用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞以形成一个或多个经修饰的活细胞，将一个或多个经修饰的活细胞与SERS活性物质混合以形成混合物，将该混合物注入到由空芯光子晶体光纤的内壁界定的导管中，并从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号。在较佳实施例中，含炔烃化合物是用于检测脂质过氧化的亚油酸酰胺炔(LLA)或用于检测细胞中唾液酸表达的4‑(二羟基硼苯基)乙炔(DBA)，两者均使用金纳米颗粒作为SERS活性物质。

Description

用于评估活细胞状态的方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2016年1月29日提交的新加坡专利申请No.10201600721R的优先权，其内容通过引用全部并入本发明。
技术领域
各种实施方案涉及一种使用表面增强拉曼光谱(SERS)评估活细胞状态的方法。
背景技术
活细胞是生命的组成成分，因为它们是所有生物体的基本单位，并且必须存在生命才能延续。通过评估来自生物体的一个或多个活细胞的状态，例如检测活细胞上某些生物分子的存在和/或监测这些生物分子的变化，可以获得诸如关于生物体的健康状况的信息。
活细胞上的生物分子的变化可用于评估细胞状态的一个实例是脂质过氧化，其是指含有碳-碳双键的多不饱和脂质的氧化态。尽管活性氧(ROS)的产生是有氧能量代谢的自然结果，并且是广泛的正常生物过程所必需的，但当活细胞的抗氧化能力无法跟上ROS的产生时，不受控制的氧化应激会导致氧化损伤引起的细胞、组织和器官损伤。这类损害与衰老以及诸如动脉粥样硬化、神经退行性疾病和癌症等疾病的进展有关。
为此，已经使用诸如高效液相色谱(HPLC)、质谱、荧光和比色分析的方法来监测脂质过氧化。然而，HPLC和质谱是昂贵且耗时的，而荧光/比色法涉及复杂的制备步骤。
作为另一个实例，在活细胞的外表面上可以发现糖蛋白、糖脂、糖胺聚糖或其他糖缀合物形式的聚糖，并且其在多种细胞活动中起重要作用，例如提供活细胞的结构、调节和识别功能。特别地，聚糖可能与许多类型的癌症的发展和进展相关，其中聚糖的变化会影响恶性转化和肿瘤进展。
唾液酸是一种在N-聚糖、O-聚糖和鞘糖脂中发现的阴离子单糖，其在细胞膜上形成糖蛋白和糖脂的必需组分，并且其已被作为肿瘤相关的糖类抗原来鉴定癌症。例如，细胞表面唾液酸的过表达可以指示各种类型癌症的恶性的和转移的表型，而唾液酸表达的降低可能意味着糖尿病的红细胞。富含唾液酸的糖蛋白可以结合人体内的选择素，使得当它们过表达时，转移性癌细胞在其膜上呈现负电荷。这可能导致细胞间的排斥，从而允许晚期癌细胞进入血流，从而进一步传播癌症。鉴于上述情况，准确监测细胞表面唾液酸的表达为研究恶性肿瘤、肿瘤转移和许多其他唾液酸相关疾病提供了有效途径。
尽管已经努力使用诸如比色分析和荧光检测的方法来检测和量化唾液酸，但比色分析的检测灵敏度低，而荧光检测通常会遇到对特定荧光基团的辨别力差、宽发射光谱的产生和光漂白的困难。这些方法以及其他方法如色谱光谱法和电位滴定法需要使用复杂的设备和繁琐的准备工作。此外，通常需要大约105至109个的大量的细胞来充分检测和定量唾液酸。开发简单、可靠和高灵敏度的单细胞上的唾液酸的检测和定量方法仍然是一个巨大的挑战。
鉴于上述情况，需要一种改进的方法来评估活细胞的状态，从而克服或至少减轻一个或多个上述问题。
发明内容
根据一个方面，提供了一种使用表面增强拉曼光谱(SERS)评估活细胞状态的方法。该方法包括
a)用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞以形成一个或多个经修饰的活细胞，
b)将一个或多个经修饰的活细胞与SERS活性物质混合形成混合物，
c)将混合物注入由空芯光子晶体光纤的内壁界定的导管中，
d)从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号。
附图说明
当结合非限制性实施例和附图考虑时，参考发明详述将能够更好地理解本发明，其中：
图1A是一个实施方案中的空芯光子晶体光纤(HC-PCF)传感器的示意图，其中在脂质过氧化时亚油酰胺炔(LAA)被标记至HepG2细胞上。
图1B是一个实施方案中的HC-PCF传感器的示意图，其中LAA标记的细胞与金纳米颗粒(AuNP)混合，并通过注射器注入纤维中。
图1C是一个实施方案中的HC-PCF传感器的示意图，其描绘了纤维中LAA的标记细胞的SERS检测。
图2A是显示用不同浓度的氢过氧化枯烯(CH)处理的细胞的拉曼光谱图。
图2B是在2113cm-1处的炔烃拉曼峰强度的曲线图。
图3A是通过LAA和CH处理的细胞的亮场成像图，在矩形分界内进行SERS映射。
图3B描绘了在焦距为-10μm至15μm(图中从左至右)、步长为5μm、原点焦点0μm被设置在细胞中心处的所选区域中，样品细胞在2113cm-1处的炔峰强度的SERS映射。
图4A是4-(二羟基硼苯基)乙炔(DBA)的化学结构的示意图。
图4B是在活细胞的细胞膜上的唾液酸的示意图，且DBA于唾液酸的C-8,9二醇处与唾液酸结合。
图5A是HC-PCF作为用于检测单个活细胞上的唾液酸的SERS平台的示意图。
图5B显示了用从HC-PCF泵出的60nm AuNP包围的单个HeLa细胞的暗场成像。
图5C是显示了安装在用于检测的拉曼系统中光纤夹持器上的HC-PCF的光学图像。
图6A是100μM的DBA与具有不同直径的AuNP在载玻片上检测的拉曼光谱图和100μM的DBA与具有60nm的AuNP在HC-PCF中检测的拉曼光谱图。
图6B是100μM的DBA与具有不同直径的AuNP的拉曼强度图和针对不同直径的AuNP计算的拉曼增强因子。
图6C是60nm AuNP的透射电子显微镜(TEM)图像。
图6D是在633nm光激发下计算出的60nm AuNP的|E|/|E0|的图像。
图7是在HC-PCF中100μM的DBA与60nm的AuNP(红线)和HeLa细胞(蓝线)的拉曼光谱图。
图8A是在HC-PCF中不同浓度的DBA与60nm的AuNP的拉曼光谱图。
图8B是在HC-PCF中不同浓度的DBA与60nm的AuNP在2,000cm-1峰强度的校准曲线图。
图9是泼尼松龙处理的HeLa细胞[(+)唾液酸]、PBA处理的HeLa细胞[(-)唾液酸]、阳性对照(唾液酸)、阴性对照(仅有细胞)的拉曼光谱和当纤维上没有细胞负载时纤维的拉曼信号。
图10A是(+)唾液酸和唾液酸样品在2000cm-1峰强度的图。
图10B是从校准点(圆形)绘制的趋势线(线)计算出的唾液酸值(两个方块分别为唾液酸和(+)唾液酸样品)的图。
发明详述
基于空芯光子晶体光纤(HC-PCF)的表面增强拉曼光谱(SERS)平台可用于评估活细胞的状态。例如，可以准确地评估细胞中脂质过氧化衍生的蛋白质修饰的存在和/或程度，以及细胞膜上唾液酸的存在和/或含量。可以将含炔烃化合物添加到一个或多个活细胞中以修饰活细胞，使得通过将诸如贵金属纳米颗粒的SERS活性物质与经修饰的细胞混合，并将所得混合物加载到空芯光子晶体光纤的空芯中，可以使用SERS检测出混合物中的无干扰炔烃拉曼峰。从该炔烃拉曼峰的峰值强度可以推断活细胞的状态，其反过来可以提供对活细胞来源的生物体状况的了解。
考虑到上述情况，本发明公开的各种实施方案涉及使用表面增强拉曼光谱(SERS)评估活细胞状态的方法。
表面增强拉曼光谱是拉曼光谱的一种形式，其基于分子的非弹性光散射(拉曼效应)。在拉曼散射过程中，光子与分子瞬间相互作用，然后沿着所有方向散射到周围环境中。在与分子的短暂相互作用期间，失去或获得能量的光子随后被检测和分析。拉曼散射的一个重要方面是频移量和分子振动模式之间的相关性。这里，振动模式是指分子振动的“方式”。由于振动模式对分子的化学性质敏感，因此探测分子振动可能会揭示关于其化学几何结构的信息。在表面增强拉曼光谱中，可以通过在诸如贵金属的SERS活性物质附近的局部电磁场的强烈增强来实现高灵敏度。有利的是，其低水背景、较窄谱线宽度的产生和无信号漂白使其适用于生物样品的分析。
如上所述，本发明公开的方法涉及使用表面增强拉曼光谱(SERS)来评估活细胞的状态。活细胞是指生物体的细胞，可以包括植物细胞、动物细胞或微生物如细菌、酵母和真菌。如本发明所用的术语“状态”是指诸如活细胞的生物实体的状况或状态。可以通过确定与活细胞相关的指标的值来评估或检测活细胞的状态或状况。例如，评估活细胞的状态可以包括确定活细胞的脂质过氧化的存在和/或程度，其允许监测活细胞中脂质过氧化衍生的蛋白质的修饰。作为另一个实施例，评估活细胞的状态可以包括确定活细胞上唾液酸的存在和/或含量，其允许监测肿瘤的恶性程度和转移，以及其他唾液酸相关的疾病。可以例如通过跟踪随时间变化的测量来监测对活细胞状态的评估，该测量可以在系统的、定期的、连续的和/或持续的基础上进行。
本发明公开的方法包括用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞。如本发明所用，术语“炔烃”，也称为“炔基”，是指如本发明所定义的具有至少两个碳原子和至少一个碳-碳三键的炔烃基。术语“烃基”是指饱和脂肪族烃，包括直链或支链基团。优选地，烃基具有1至10个碳原子(无论何时数值范围；例如，在本发明中陈述的“1-10”，其意指该基团，在这种情况下为烃基，可包含1个碳原子、2个碳原子、3个碳原子等，直至包括10个碳原子)。更具体地，它可以是具有1至6个碳原子的中等大小的烷基或具有1至4个碳原子的低级烷基例如甲基、乙基、正丙基、异丙基、丁基、异丁基、叔丁基等。烃基可以是被取代的或未取代的。当被取代时，取代基团是一个或多个，例如一个或两个基团，分别选自由C3-C8环烷基、C6-C14芳基、5-10元杂芳基(其中1-4个环原子独立地选自氮、氧或硫)、5-10元杂脂环(其中1至3个环原子独立地为氮、氧或硫)、羟基、C1-C10烷氧基、C3-C8环烷氧基、芳氧基、巯基、烷硫基、芳硫基、氰基、卤素、羰基、硫代羰基、C-羧基、O-羧基、硝基、甲硅烷基、亚磺酰基、磺酰基、氨基和-NR3R4组成的组，其中R3和R4独立地选自由氢、C1-C4烷基、C3-C8环烷基、C6-C14芳基、羰基、乙酰基、磺酰基、氨基和三氟甲磺酰基组成的组，或R3和R4与它们所连接的氮原子一起结合形成五元或六元杂脂环。
炔烃基的实例包括但不限于乙炔、乙炔基、丙炔基、丁炔基或戊炔基及其结构异构形式。
本发明所用的术语“修饰”是指在化合物中替换或添加一个或多个化学基团，其可通过物理掺入或通过含有一个或多个化学基团的物质与化合物的化学反应进行。因此，一个或多个活细胞可以通过在活细胞中物理掺入含炔烃化合物来进行修饰，或者可以通过化合物与活细胞上存在的生物分子的化学反应来进行。这样可以形成一个或多个经修饰的活细胞。在各种实施方案中，通过将含炔烃化合物共价连接至一个或多个活细胞，可以用含炔烃化合物对一个或多个活细胞进行修饰。
含炔烃化合物可以例如选自由炔烃修饰的不饱和脂肪酸、炔烃官能化的硼酸及其组合组成的组。
脂肪酸，在本发明中也称为脂质，可以由烃链形成，通常长度为18至24个碳，其终止于羧酸基团。烃链可以是饱和的或不饱和的，并且可以连接到含有氧、卤素、氮或硫的官能团上。术语“不饱和脂肪酸”是指在链的碳原子之间具有至少一个双键的脂肪酸。由于存在双键，因此存在顺式或反式几何异构的可能性。在存在两个或多个双键的实施方案中，可以使用术语“多不饱和脂肪酸”。
不饱和脂肪酸的实例包括但不限于亚油酸、α-亚麻酸、花生四烯酸、二十碳五烯酸、二十二碳六烯酸及其组合。在一些实施方案中，不饱和脂肪酸是天然存在的脂肪酸。
在一些实施方案中，含炔烃化合物是炔烃修饰的不饱和脂肪酸和/或炔烃官能化的硼酸。例如，含炔烃化合物可选自由亚油酰胺炔烃、4-(二羟基硼苯基)乙炔及其组合组成的组。
用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞可以使用任何合适的方法进行。在各种实施方案中，用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞包括将一个或多个活细胞与含炔烃化合物一起孵育。本发明中可互换使用的术语“接触”或“孵育”通常是指提供一种组分、试剂、分析物或样品与另一种组分、试剂、分析物或样品的接近。可以将一个或多个活细胞和含炔烃化合物孵育合适的时间，以允许它们之间发生相互作用。合适的时间量可取决于反应条件，例如活细胞和含炔烃化合物的类型和含量、以及温度。本领域技术人员将能够确定可能发生的任何相互作用的适当时间。
通常，将一个或多个活细胞与含炔烃化合物一起孵育可以进行大约数小时的一段时间，并且在环境温度下进行，其通常是指在约20℃至约40℃之间的温度。在各种实施方案中，将一个或多个活细胞与含炔烃化合物一起孵育的时间为约1小时至约5小时，例如约2小时至约5小时，约2小时至约4小时，约2小时或约4小时。通过用缓冲溶液如磷酸盐缓冲盐水进行洗涤，可以从经修饰的活细胞中去除任何未结合的或游离的含炔烃化合物。
本发明公开的方法可包括将一个或多个经修饰的活细胞与SERS活性物质混合以形成混合物。如上所述，在表面增强拉曼光谱中，通过在SERS活性物质附近的局部电磁场的强烈增强可以实现高灵敏度，其中产生的拉曼信号由于强表面等离子体共振可以增强几个数量级。
SERS活性物质的实例包括但不限于贵金属，例如银、钯、金、铂、铱、锇、铑、钌；铜、铝或其合金。
在各种实施方案中，SERS活性物质为纳米颗粒的形式，其可以包被有SERS活性物质或完全由SERS活性物质形成。例如，SERS活性纳米颗粒可以由非SERS活性物质形成，例如塑料、陶瓷、复合材料、玻璃或有机聚合物，并且包被有如上所述的SERS活性物质。或者，SERS活性纳米颗粒可完全选自由贵金属、铜、铝及其合金组成的组的SERS金属形成。在各种实施方案中，SERS活性纳米颗粒用金、银或其合金包被，或完全由金、银或其合金形成。
在具体实施方案中，SERS活性物质包含金纳米颗粒。
SERS活性纳米颗粒的尺寸可以通过它们的直径来表征。本发明使用的术语“直径”是指穿过图形中心并终止于周边的直线段的最大长度。在多个SERS活性纳米颗粒的情况下，SERS活性纳米颗粒的尺寸可以通过它们的平均直径来表征。术语“平均直径”是指纳米颗粒的平均直径，并且可以通过将每个纳米颗粒的直径之和除以纳米颗粒的总数来计算。
在各种实施方案中，每种SERS活性纳米颗粒的直径范围为约5nm至约250nm，例如约40nm至约150nm，约60nm至约100nm，约50nm至约80nm，约60nm至约80nm，约30nm至约70nm，约30nm至约60nm，约50nm至约70nm，或约60nm。在具体的实施方案中，每种SERS活性纳米颗粒的直径为约60nm至约100nm。有利的是，发明人已经发现，直径在约60nm至约100nm范围内的SERS活性纳米颗粒为SERS信号提供了最大的增强。
SERS活性纳米颗粒可以是单分散的。术语“单分散的”是指具有基本均匀的尺寸和形状的纳米颗粒。在一些实施方案中，SERS活性纳米颗粒的直径分布的标准偏差等于或小于平均直径值的20％，例如等于或小于平均直径值的15％、10％、5％或3％。在一些实施方案中，SERS活性纳米颗粒的直径对于每个纳米颗粒基本相同。
混合物中可以存在高浓度的SERS活性纳米颗粒。例如，在混合物中SERS活性纳米颗粒的浓度可以在约1×1010个颗粒/mL至约1×1012个颗粒/mL的范围内，例如约0.5×1011个颗粒/mL至约1×1012个颗粒，约1×1011个颗粒/mL至约1×1012个颗粒/mL，约1×1010个颗粒/mL至约1×1011个颗粒/mL，或约1×1011个颗粒/mL。可以使用高浓度的SERS活性纳米颗粒来确保可以增强大多数拉曼信号，因为这种增强仅在拉曼标记位于非常接近SERS活性底物表面的范围内时才有效，有效的增强距离通常小于100nm。当对具有约20μm典型直径的哺乳动物细胞进行SERS分析时，这是特别有利的，因为纳米结构的底物仅能够增强与底物接触的细胞底部的拉曼信号，导致检测灵敏度低。此外，与在传统的SERS活性底物上进行的仅可能具有“二维”增强的分析相比，SERS活性纳米颗粒可以围绕每个细胞以提供“三维”增强的拉曼信号。
混合物中一个或多个经修饰的活细胞的浓度可以在约20,000细胞/mL至约30,000细胞/mL的范围内，例如约22,000细胞/mL至约30,000细胞/mL，约25,000细胞/mL至约30,000个细胞/mL，约28,000个细胞/mL至约30,000个细胞/mL，约20,000个细胞/mL至约28,000个细胞/mL，约20,000个细胞/mL至约25,000个细胞/mL，约20,000个细胞/mL至约22,000个细胞/mL，或约22,000个细胞/mL至约28,000个细胞/mL。
将含有一个或多个经修饰的活细胞和SERS活性物质的混合物注入由空芯光子晶体纤维的内壁限定的导管中。将混合物注入导管中可以通过任何合适的方法，例如通过注射器进行。
空芯光子晶体光纤(HC-PCF)是一种光纤，其中术语“光纤”是指可以通过导线中的内部反射将电磁辐射(例如光)从一点传输到另一点的导线。光纤可以具有实心芯或中空芯。通常采用实芯纤维作为纤维探针，其中纤维的一端可以通过例如加热纤维和施加拉伸力以拉伸和减小纤维直径而变成锥形。来自锥形一端的光可以允许与连接到尖端表面或位于尖端表面附近的样品相互作用。由于使纤维变成锥形的过程通常是复杂的，并且锥形尖端的光损失通常很大，因此使用实芯纤维的检测灵敏度受到限制。
另一方面，空芯光子晶体光纤是更有利的，因为样品可以通过光纤的一端泵入到中空芯或由光纤内壁限定的导管。通过将诸如激光的辐射照射到中空芯或导管中，中空芯或导管内的辐射的传输可以通过具有改善约束的光纤与样品相互作用。
在各种实施例中，空芯光子晶体光纤的导管的尺寸被设计成在沿其长度的每个位置处容纳一个经修饰的活细胞。例如，导管的横截面可以具有足够大的尺寸或面积，以沿着其长度在每个位置处仅保持一个经修饰的活细胞。
导管可具有圆形横截面区域。因此，空芯光子晶体光纤中的导管可呈现圆柱形状。在各种实施方案中，导管的横截面宽度为约15μm至约25μm，例如约18μm至约25μm，约20μm至约25μm，约15μm至约22μm，约15μm至约20μm，约18μm至约22μm，或约20μm。
根据导管的长度，一个、两个、三个、四个、五个或更多个经修饰的活细胞可以排成一行，并且可以沿着导管的长度在各个位置处间隔开，例如在图1C中所示。在一些实施方案中，导管的尺寸适于容纳一个经修饰的活细胞。
本发明公开的方法包括检测来自管道中混合物的表面增强拉曼信号。如本发明所用的术语“检测”是指验证给定分子的存在的方法，并且包括体外检测和体内检测。检测也可以是定量的，例如将检测到的信号与存在的生物分子的量相关联。
在各种实施例中，检测导管中的混合物的表面增强拉曼信号包括将诸如激光的辐射引导入导管中的时间段在约8秒至约12秒的范围内，例如约8秒至约10秒，约10秒至约12秒，约9秒至约11秒，或约10秒。
可以以反向散射几何形状收集表面增强拉曼信号，这意味着辐射源和辐射检测器不具有直线视野，而是依赖于待检测的物质来散射一些辐射进入检测器以进行检测。有利的是，空芯光子晶体光纤允许从光纤的一段长度而不是从光纤上的单个点收集信号。这可以得到更强的信号强度，同时减少不同点处的强度的点对点变化，从而提高精度。
如上所述，使用高浓度的SERS活性纳米颗粒可以确保增强大部分的拉曼信号，因为这种增强仅在拉曼标记位于非常接近于SERS活性底物表面的情况下才有效。与上述一致，导管中的每个活细胞可以被多个SERS活性纳米颗粒包围，以提供拉曼信号的“三维”增强。值得注意的是，发明人已经发现，由于改进的拉曼信号的“三维”增强，本发明公开的方法是高度灵敏的，并且已经证明了检测限低至50nM。
在各种实施例中，从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号包括检测在1800cm-1至2200cm-1范围内的表面增强拉曼信号的模式和/或强度的变化，所述范围例如约1900cm-1至约2100cm-1，约2000cm-1至约2100cm-1，或约2000cm-1至约2200cm-1。有利的是，炔烃基团在1800cm-1至2200cm-1的中红外区域具有独特的SERS信号，该信号与细胞的拉曼峰特征的特征区域分离，因此无需解耦信号就能够特异性鉴定炔烃基团。
例如，炔烃修饰的不饱和脂肪酸如亚油酰胺炔烃可用于本发明公开的方法中以确定活细胞的脂质过氧化的存在和/或程度。炔烃修饰的不饱和脂肪酸可以在脂质过氧化时被氧化，并且这么做时，细胞中的蛋白质被炔烃基修饰了。通过测量作为时间函数的1800cm-1至2200cm-1范围内的在约2113cm-1处炔烃基的特征拉曼峰，可以监测脂质过氧化的状态。峰值强度可能反映了脂质过氧化的程度，其中较高的强度可能意味着由于炔烃修饰的不饱和脂肪酸的氧化的增加而导致更高水平的脂质过氧化，从而细胞中更多的蛋白质被炔烃基修饰。
作为另一个实例，炔烃官能化的硼酸如4-(二羟基硼苯基)乙炔可用于本发明公开的方法中以确定活细胞上唾液酸的存在和/或含量。活细胞上的唾液酸含量可以与导管中混合物的表面增强拉曼信号相关。例如，4-(二羟基硼苯基)乙炔与细胞膜上的唾液酸分子之间的络合可以是统一的，使得通过评估4-(二羟基硼苯基)乙炔分子的数量，可以量化唾液酸的含量。4-(二羟基硼苯基)乙炔分子的数量可以通过将2000cm-1处的峰强度作为4-(二羟基硼苯基)乙炔分子数量的函数的关联而得到，如下面实施例14中所讨论的。
在一些实施方案中，一个或多个活细胞包含在样品中，并且检测是体外检测。
如本发明所用，术语“样品”是指一份的物质，通常是生物原料、水溶液或衍生自生物材料的水悬浮液。使用的样品可以根据测定形式和待测定的组织、细胞、提取物或其他物质，尤其是生物物质的性质而变化。
样品的非限制性实例包括人和动物体液，例如全血、血清、血浆、脑脊髓液、痰液、支气管冲洗液、支气管抽吸液、尿液、精液、淋巴液和呼吸道、肠道和泌尿生殖道的各种外部分泌物、泪液、唾液、乳汁、白细胞、骨髓瘤等；生物液体如细胞培养上清液、可能固定也可能不固定的组织样本、可以固定也可以不固定的细胞标本。
根据本发明公开的实施方案的方法可以形成生物传感器中的检测基础，例如SERS生物标志物用于临床诊断的测定和用于实验室研究的测定。
本发明在此已概括地和一般地进行了描述。落入一般公开内容中的每个较窄物种和亚属群也构成本发明的一部分。这包括本发明的一般描述、附带但书或从该属中去除任何主题的负面限制，无论被去除的材料是否在本发明中被特别提及。
其他实施方案在权利要求和非限制性实施例内。另外，在根据马库什群组描述本发明的特征或方面的情况下，本领域技术人员应当意识到，本发明也因此以马库什群组的任何单个成员或成员子群的形式进行描述。
实验部分
各种实施方案涉及高灵敏度的SERS平台，其使用专门设计的光纤检测细胞中脂质过氧化衍生的蛋白质修饰。亚油酸是哺乳动物中发现的最丰富的多不饱和脂肪酸，其脂质过氧化产物可能占据了大部分的脂质衍生蛋白质羰基。该平台包含炔烃修饰的不饱和脂肪酸类似物、亚油酰胺炔烃(LAA)(炔烃修饰的亚油酸)，用于检测细胞中的脂质过氧化。当与细胞一起孵育时，LAA结合到细胞膜中。在脂质过氧化时，LAA被氧化并产生9-和13-氢过氧-十八碳二烯酸。这些氢过氧化物分解成多个α、β-不饱和醛，其易于修饰它们周围的蛋白质(图1A)。随后通过在2113cm-1处的炔烃拉曼峰可以检测这些含炔烃的修饰蛋白。由于细胞和其他生物分子的拉曼光谱位于400cm-1至1800cm-1的范围内，因此炔烃峰可以实现无干扰检测。
采用空芯光子晶体光纤(HC-PCF)对细胞样品的敏感性SERS进行检测。将LAA修饰的细胞与AuNP溶液混合并泵入纤维的空芯中，使得每个细胞被大量体积的AuNP包围。更重要的是，在空芯中传输的光能够沿着整个光纤长度与空芯中的样品相互作用，大大增加了有效的增强距离。
相比之下，基于平台的底物的SERS增强仅在拉曼标记非常靠近底物表面时有效，其通常小于100nm以达到有效增强。与基于底物的SERS相比，基于HC-PCF的平台利用空芯的狭窄来捕获微米尺寸的细胞并获得显著的SERS光谱曲线。
实施例1：用于SERS检测的纤维的制备(实施方案1)
将HC-PCF纤维切成7厘米长，并使用光纤切割器切割两端。将纤维的一端插入0.3mm注射器针头(BD PrecisionGlide)的尖端，并用强力粘合剂密封连接，确保液体样品可通过连接的1ml结核菌素注射器(BD PrecisionGlide)泵入纤维中进行SERS的检测(图1B和图1C)。
实施例2：细胞培养和样品制备(实施方案1)
在6孔板中使用含有1％青霉素链霉素(Gibco)和10％胎牛血清(Gibco)的达尔伯克改良培养基(DMEM)于黑暗的条件下在5％CO2、37℃培养HepG2细胞，直至其铺满80％。向每个孔中加入2微升用50mM的DMSO((Merck Millipore)溶解的LAA(Life technologies)，使其终浓度为50μM。
为了诱导脂质过氧化，分别在5个孔中以5μM、10μM、50μM、100μM和150μM的不同有效浓度的氢过氧化枯烯(CH)处理细胞。据报道CH作为诱导脂质过氧化的物质被广泛用于研究当中。剩下的一个孔作为对照。孵育2小时后，用1×PBS洗涤细胞3次以除去游离的LAA。通过将浓缩的60nm AuNP溶液(约1.04×1011颗粒/mL，BBI溶液)与这六个孔中收获的细胞分别混合，制备有效细胞浓度为300,000个细胞/mL的样品。为了获得纯LAA的拉曼光谱，通过将LAA与浓缩的60nm AuNP混合来制备另一样品，使得LAA的最终浓度为50μM。
通过在8孔腔室载玻片中的HepG2细胞制备SERS映射样品，使用上述方案用LAA和CH处理细胞，同时每孔中LAA和CH的终浓度分别为50μM和150μM。孵育2小时并洗涤后，将细胞与浓缩的60nm AuNP混合，然后用4％甲醛固定15分钟。此后，去除甲醛并用PBS冲洗。将孔去除，盖上盖玻片，并用一层干净的表层固定在载玻片上。
实施例3：SERS检测和SERS映射(实施例1)
使用带有Peltier冷却的CCD检测器的拉曼显微镜系统(Renishaw InVia)以及633nm处的激光激发波长获得SERS光谱。激光通过50×物镜耦合，该物镜用于收集斯托克斯位移的拉曼信号。用陷波滤波器阻挡瑞利散射。
使用SMA连接器将HC-PCF安装在显微镜载物台上，并且光通过物镜耦合到光纤端的实心芯中。来自HC-PCF整个长度内的细胞的SERS信号以反向散射几何形状收集。在该项研究中，光纤在约1.65mW的激光功率下被激发，在整个检测过程中曝光时间为10s。用硅标准物在520cm-1的拉曼峰下校准仪器。
在相同的拉曼显微镜系统中进行SERS映射实验，其中激光束通过20×物镜射向样品。通过选择安装在显微镜载物台上的载玻片上的小片区域来进行细胞样品的SERS映射。使用633nm波长和3mW功率的激光激发。在指定区域(约50μm×40μm)上进行积分时间为1秒的光栅扫描，进行2113cm-1处炔烃峰的映射检测。
对于SERS检测，主要检测变化通常来自热点的不均匀分布。结果是，仅靠近热点的一些拉曼标记可以被增强。为了避免这个问题，使用非常高浓度的金纳米颗粒来确保大多数拉曼标记可以被增强。更重要的是，基于光纤的传感器具有从整个光纤的长度而不是从底物的单个点上收集信号的优点。这减少了不同点处的强度的点对点变化，从而实现了精确监测。
实施例4：CH诱导的脂质过氧化的检测(实施方案1)
在该概念验证研究中，为了证明使用SERS监测由CH诱导的细胞中脂质过氧化的可行性，用LAA和不同浓度的CH处理HepG2肝癌细胞。通过脂质过氧化，LAA被氧化并用炔烃基修饰细胞中的蛋白质。通过测量炔烃基的特征拉曼峰，监测脂质过氧化的状态。如图2A所示，随着CH浓度的增加，炔烃峰强度呈上升趋势。CH处理的细胞中峰强度的显著增加表明脂质过氧化衍生的蛋白质修饰增加，并且CH浓度的低至5μM时，炔烃峰可以被检测到(图2B)。对于仅用LAA处理的细胞，由于不存在诱导的脂质过氧化过程，炔烃峰可忽略不计，证实了检测系统的特异性。值得注意的是，炔烃具有独特的拉曼峰，其与细胞特征的拉曼峰的特征区域分离，因此能够进行特异性地和无干扰地检测。
实施例5：细胞中LAA的分布(实施方案1)
为了研究LAA的特异性并理解含炔烃的修饰蛋白在细胞中的定位和分布，通过监测2113cm-1处的炔峰的SERS强度来进行SERS映射。SERS映射在50μm×40μm的区域中进行，如图3A所示。其中以一个细胞进行映射并且映射焦距为以5μm的步长从-10μm到15μm进行扫描。
如图3B所示，红色区域的分布可以与细胞图像相符合。关于背景信号，SERS的图谱表明炔烃信号位于细胞内，证实LAA能够在脂质过氧化时能够特异性地修饰细胞中具有炔烃基的蛋白质。该结果还表明，将细胞与高浓度的AuNP混合后，可以在细胞表面和细胞内发现金纳米颗粒，因此来自整个细胞内的LAA的信号大大增强，证实本发明公开的传感器概念能够监测细胞内的脂质过氧化。
本发明已经证实了连同LAA和AuNP的使用，基于HC-PCF的SERS平台能够精确监测细胞中脂质过氧化衍生的蛋白质修饰。SERS技术利用HC-PCF纤维的空芯提供高灵敏度，同时LAA实现了特异性地和无干扰地检测。更重要的是，该检测避免了繁琐和耗时的制备和染色程序，这使得可以快速监测细胞中的脂质过氧化进程。商业化拉曼显微镜与新设计的纤维的联合使用证明了其在脂质过氧化的快速流体监测的可能应用。
实施例6：单个活细胞上唾液酸的检测和定量(实施方案2)
HC-PCF用于实现单个活细胞上唾液酸的灵敏检测和定量分析。HC-PCF被设计成允许液体样品通过中心气孔被泵入，同时光被限制并被传输进来。值得注意的是，中心气孔的尺寸与细胞(约25μm×25μm)相当，因此允许单个细胞加载到通道中，从而使得单个活细胞的SERS检测成为可能。与基于底物的SERS检测相比，将细胞与AuNP溶液混合并泵入HC-PCF的空气通道中，从而每个细胞被大量体积的AuNP包围。这种混合物在空气通道中被挤压，因此实现了具有极高的灵敏度的“3D”SERS增强，，非常适合单细胞上的唾液酸检测。
先前的研究已表明苯基硼酸(PBA)可以与多存在于聚糖结构中的1,2或1,3二醇反应，以在pH值为8至9附近时形成五元或六元环状络合物。据Kataoka等报道，在pH值为7.4的生理下PBA可以在细胞表面与普通碳水化合物(甘露糖、葡萄糖、半乳糖和唾液酸)中的唾液酸形成良好的结合，这使得活细胞的标记成为可能。最近，Liu等人提出使用苯基硼酸标记的量子点来标记细胞膜上的唾液酸以用于荧光成像。已被充分研究的是，生物分子和细胞的拉曼光谱位于400cm-1至1800cm-1的范围内。因此，对于敏感的SERS生物分子检测，为了避免信号的重叠，标记具有的拉曼峰必须在该区域之外其是至关重要的。由于C≡C伸展而在2,000cm-1区域附近具有强SERS峰的炔烃适合于这种平台。4-(二羟基硼苯基)乙炔(DBA)(图4A)是可商购的具有炔烃基的苯基硼酸化合物。通过利用DBA和唾液酸之间的化学性质以及非干扰的炔烃拉曼峰，可以实现唾液酸的SERS检测，如图4B所示。
在本研究中，提出了基于HC-PCF的系统，其用于单个活的癌细胞上的唾液酸的SERS检测和定量。研究与不同尺寸AuNP作用的DBA信号的SERS强度，以找到优化的SERS增强的AuNP。为了量化唾液酸的量，将不同浓度的DBA溶液泵入HC-PCF中，并获得SERS强度以绘制校准曲线。已知HeLa细胞是唾液酸阳性的，所以用它们进行唾液酸的检测。在该研究中测试了模拟细胞上不同水平的唾液酸的四种条件。通过在泼尼松龙中孵育HeLa细胞诱导唾液酸水平的升高，并且通过在竞争性苯基硼酸中孵育细胞来实现可用性游离唾液酸的降低。用DBA和不用DBA处理的正常HeLa细胞分别作为阳性对照和阴性对照。最后，进行暗场成像以验证单细胞的检测。
实施例7：模拟(实施方案2)
使用商业软件COMSOL Multiphysics进行有限元法(FEM)建模。采用三维射频模块计算不同尺寸的AuNP增强因子。AuNP的电场分布在方盒内计算，而端口边界条件设置在盒子的顶部和底部，633nm光激发在顶部沿z轴传播，而电场设置为沿x轴振动。平行于E场(x轴)的两个面被设置为完美磁导体(PMC)边界条件，并且垂直于E场的另外两个面被设置为完美电导体(PEC)边界条件。
由于在研究中AuNP悬浮在水中，AuNP周围子域的折射率为1.33，而AuNP的折射率设定为0.19683-j*3.0905。一般认为，AuNP的SERS增强可以通过局部表面等离子体共振效应增强的电磁场来估算。增强因子可以被描述如下
入射光与AuNP表面的相互作用导致拉曼辐射。随着拉曼活性分子的激发与在激发频率下的局部电场的平方成比例，在金属结构的表面处拉曼辐射可能非常高。Eloc(ωi)和E0(ωi)是激光激发频率下的局部电场和入射电场。通过等离子体共振增强发出的拉曼辐射，该等离子体共振与在拉曼散射频率下的局部电场的频率成比例。Eloc(ωs)and E0(ωs)指拉曼散射频率的局部电场和入射电场。在大多数情况下，由于光谱依赖性弱且易于计算，拉曼增强因子可以计算为
其中E和E0分别指Eloc(ωi)和E0(ωi)。
实施例8：用于SERS检测的纤维的制备(实施方案2)
将HC-PCF纤维切成7厘米长，并使用光纤切割器切割两端。将纤维的一端插入0.3mm注射器针头(BD PrecisionGlide)的尖端，并用强力粘合剂密封连接。因此，液体样品可通过连接的1ml结核菌素注射器(BD PrecisionGlide)泵入纤维中进行SERS的检测，如图5B所示。值得注意的是，该纤维段的空气通道中最大的液体体积约为46.2nL。
实施例9：HeLa细胞的培养和不同的唾液酸水平(实施方案2)
使用含有1％青霉素链霉素(Gibco)和10％胎牛血清(Gibco)的达尔伯克改良培养基(DMEM)于黑暗的条件下在5％CO2 37℃培养HeLa细胞，直至其铺满80％。然后通过向细胞中加入适当体积的1×EDTA胰蛋白酶4分钟，收获细胞，再加入双倍体积的DMEM以中和胰蛋白酶。将收获的细胞在1,500rpm离心3分钟。除去上清液，用DMEM重悬细胞，使细胞浓度达到5000细胞/ml。在6孔板中每孔接种2毫升细胞悬浮液，并使其生长48小时。
孵育后，从每个孔中取出DMEM，用1×PBS轻轻冲洗粘附的细胞，随后除去PBS。在我们的实验中使用了四个孔。为了降低DBA结合到细胞膜表面唾液酸位点的可能性，因此模拟了具有降低的唾液酸水平的细胞，将在DMEM中溶解的10mM苯基硼酸(PBA)(Sigma Aldrich)和1％DMSO(Merck Millipore)加入到一个孔(孔A)中并孵育24小时。将在DMEM中溶解的5μM泼尼松龙(Sigma Aldrich)和1％DMSO加入到另一个孔(孔B)以诱导唾液酸的过表达，并孵育72小时。剩下的两个孔(孔C和孔D)用于作阳性对照和阴性对照。
孵育后，对所有孔进行洗涤，并将溶解于DMEM的10mM DBA(Sigma Aldrich)和1％DMSO加入孔A、B和C中，孵育时间为4小时。用1×PBS洗涤所有四个孔两次，以除去过量的化合物和未结合的细胞，然后通过胰蛋白酶消化和离心收获细胞。离心后除去上清液，细胞待用于SERS样品的制备。
实施例10：SERS样品的制备(实施方案2)
为了评估AuNP的尺寸对SERS性能的依赖性，将495μl每种相应大小的AuNP分别与DMSO溶解的DBA(5μl，10mM)混合，以获得有效浓度为100μM的DBA。用于校准的样品以相同的方式制备，但DBA的有效浓度为50nm、100nM、500nM、1μM、10μM和100μM。通过将60nm AuNP溶液与来自4个孔(A，B，C和D)中收获的细胞分别混合，制备四种类型的唾液酸检测样品，因此每个样品中细胞的有效浓度为20,000个细胞/mL。
实施例11：透射电子显微镜(TEM)(实施方案2)
用JEOL JEM-1010进行透射电子显微镜(TEM)实验以表征AuNP的形状和尺寸。通过将2.5μl的AuNP溶液滴加到200目镀镍的网格上来制备TEM样品，并在使用前进行干燥。
实施例12：SERS的检测(实施方案2)
使用拉曼显微镜系统(Renishaw InVia)来记录SERS光谱，该系统有633nm的激发激光器并且配备光栅(光谱分辨率约为1.8cm-1)。将冷却至-70℃的显微镜(Leica)和CCD检测器连接至该系统。激光通过50×物镜耦合，用于收集斯托克斯位移的拉曼信号。用陷波滤波器阻挡瑞利散射。在本研究中，用约3.5mW的激光功率激发样品。用硅标准物在520cm-1的拉曼峰下校准仪器。使用SMA连接器将泵入液体样品的纤维安装在显微镜载物台上，并通过物镜将光耦合到光纤的自由端，如图5A和图5B和5C所示。来自整个光纤长度的SERS信号以反向散射几何形状进行收集。
实施例13：暗场成像(实施方案2)
使用空注射器将纤维中的HeLa细胞和AuNP的混合物通过空气抽出，并装载到载玻片上。使用连接到Nikon LV100显微镜的增强的暗场照明系统(CytoViva，Auburn，AL)使样品可视化。该系统由暗场聚光器(CytoViva)组成，通过光纤导管连接到24瓦金属卤化物光源(Solarc Lighting Technology)。使用Nikon物镜(100×，NA 1.25和WD 0.23，油镜)和具有相关软件的Nikon DS-Fi1相机(NIS-Elements D)在曝光时间为300ms时获取图像。
实施例14：结果和讨论(实施方案2)
使用AuNP进行SERS的检测，因为它们能够显著增强拉曼信号。为了获得最大程度的SERS增强，本发明人研究了在水溶液中DBA强度的增强与在5至250nm范围内的不同直径的AuNP的相关性。在载玻片和HC-PCF纤维上检测样品溶液以比较它们的增强能力。
如图6A所示，直径为60nm(图6C)和100nm的AuNP对DBA信号显示出最大的增强。该实验结果与模拟结果有很好地相关，如图6B所示。关于模拟，发明人仅计算了单个AuNP的增强因子(如图6D所示)，而没有考虑化学键和多个AuNP的影响，因此对计算和实验结果之间的微小差异作出了解释。
值得注意的是，从载玻片获得的信号比HC-PCF纤维的信号弱得多。这是因为激光在撞击载玻片上的样品后弥漫地散射，因此只有一部分散射光能够被物镜收集。而对于HC-PCF，散射光可以传导回物镜。更重要的是，与载玻片相比，激光能够在整个光纤长度上与样品溶液相互作用更长的距离，从而产生更强的信号强度。
由于DBA分子与唾液酸分子之间的络合在细胞膜上是一致的，通过评估DBA分子的数量，发明人能够量化唾液酸的含量。一种有效量化唾液酸的方法是对不同浓度的DBA进行拉曼强度校准研究。
如图7所示，DBA在1,174cm-1、1,592cm-1和2,000cm-1处具有三个主要的拉曼峰，其有可能被用于强度校准。然而，来自细胞的拉曼信号与低于1800cm-1的DBA信号重叠，因此干扰了在1,174cm-1和1,592cm-1处的DBA峰的强度，导致检测数值不准确。相反，其炔烃官能团在2,000cm-1处的DBA峰值超出了上述范围，并且在相对干净的区域内。因此，它是被选择用于校准研究的峰。
在校准研究中，将具有不同DBA浓度的样品泵入HC-PCF中以进行SERS的检测。如图8A所示，DBA光谱的拉曼强度随着浓度的增加而增加。图8B中绘制了2,000cm-1处峰强度的校准曲线。值得注意的是，通过本发明公开的HC-PCF纤维的强烈的“3D”增强，发现DBA的2000cm-1处峰的检测限低至50nM。由于单细胞上的唾液酸含量非常低，我们的系统使得实现这种高灵敏度的检测成为可能。从浓度范围为50nM至100μM的DBA，纤维的46.2nL空气通道中每种液体样品的DBA分子数分别为2.31fmoles、4.62fmoles、23.1fmoles、46.2fmoles、462fmoles和4.62pmole。
为了评估检测对唾液酸水平变化的敏感性，本发明人通过在泼尼松龙(其促进唾液酸的产生)和PBA(其与DBA竞争性地结合唾液酸，取决于化合物加入到细胞中的顺序)存在的情况下孵育细胞来操控唾液酸的水平。
HeLa细胞中唾液酸的水平可以通过使用泼尼松龙的治疗来升高，泼尼松龙是一种可以抑制表面唾液肽脱落到培养基中的化学物质。标记有DBA和无DBA标记的正常HeLa细胞被用于阳性(唾液酸)对照和阴性(仅细胞)对照。如图5A至图5C所示，这些样品通过注射器泵入到HC-PCF中，并通过光纤连接器安装在拉曼系统的平台上，因此能够将激光传输到光纤中以进行SERS的检测。
值得注意的是，本发明人将每个样品中的细胞浓度固定为20,000个细胞/mL，并且在细胞泵入纤维之前将其均匀分散。在纤维的46.2nL空气通道中得到的估算的细胞数小于1(约0.862)。这确保了唾液酸的检测仅限于单个细胞。
为了进一步验证上述假设，发明人使用空注射器在SERS检测之后，将液体样品从纤维抽出到载玻片上。使用暗场成像来检查该样品中的细胞数量，如图5B所示。据观察，在视野中仅发现一个HeLa细胞。
这些样品的拉曼光谱如图9所示。观察到用泼尼松龙处理的细胞在2,000cm-1处的较高的强度高于阳性对照，表明被处理细胞的唾液酸表达增加。鉴于苯基硼酸和DBA之间化学结构的相似性，两者都与唾液酸结合。结果，在(-)唾液酸样品中用PBA进行预处理后，DBA与HeLa细胞上的唾液酸结合的可能性降低。由于DBA含有产生2,000cm-1峰的炔烃官能团，(-)唾液酸样品的拉曼光谱中该峰的存在可忽略不计，表明无DBA的结合。在低于1,800cm-1的波数下，显示阴性对照的光谱与DBA的光谱重叠，证实DBA的2,000cm-1峰的强度是不间断的。得到的光谱中，由于它们的低浓度没有细胞加载到纤维中(因此，观察细胞的概率降低)。这里，在整个光谱中没有观察到峰。
为了计算唾液酸和(+)唾液酸样品中细胞上唾液酸的量，从SERS的检测获得2,000cm-1峰的强度(图10A)。绘制校准趋势线，其清楚地表示2,000cm-1峰的强度与DBA分子数量之间的相关性(图10B)。可以通过从趋势线中估计出的DBA分子的数量来量化唾液酸分子的数量，因为DBA分子与唾液酸分子之间的结合是逐个结合。通过从校准曲线中估计DBA分子的数量，在唾液酸和(+)唾液酸样品中单个Hela细胞上计算的唾液酸量分别为1.822fmoles和6.782fmoles。该结果与先前报道的结果有很好的相关性，其中通过计算源自大量细胞(105至109个细胞)的平均值来得到单个细胞上的唾液酸分子的值。
表1：商业试剂盒与本发明公开的方法之间的比较
表2：与恶性转化和肿瘤进展相关的唾液酸化的变化
缩写：N-CAM，神经细胞粘附分子；Tn，Siaa2-3GalNAca-Ser/Thr。
总之，本发明人成功地证实了一种新的基于SERS的平台，其可以使用基于HC-PCF的系统检测和定量单个活癌细胞上的唾液酸。据他们所知，这是第一个报道的基于SERS的光纤平台，其可以准确地量化单个活细胞上的成分。与先前报道的唾液酸检测方法相比，我们的方法更简单，更容易操作。更重要的是，结合HC-PCF的液体样品检测能力、DBA的非干扰2,000cm-1峰和AuNP提供强“3D”SERS增强能力的优势，发明人能够实现高灵敏度地检测单个细胞上的化合物。鉴于这些优点的组合，发明人预期该系统可用于唾液酸的检测，并且还可以开发成临床诊断工具，其将在各种类型的液体样品如血液、血清、血浆、尿液、唾液、汗液和眼泪的生物分子的高灵敏度检测中实现广泛的应用。
尽管已经参考本发明的示例性实施例具体解释和描述了本发明，但是本领域普通的技术人员应当理解，在不脱离如所附的权利要求所定义的本发明的实质和范围的情况下，可以在形式和细节上进行各种改变。

Claims (19)

1.一种使用表面增强拉曼光谱(SERS)评估活细胞状态的方法，其特征在于，所述方法包括：
a)用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞以形成一个或多个经修饰的活细胞，
b)将一个或多个经修饰的活细胞与SERS活性物质混合形成混合物，
c)将混合物注入由空芯光子晶体光纤的内壁界定的导管中，
d)从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述用含炔烃化合物修饰一个或多个活细胞包括将所述一个或多个活细胞与含炔化合物孵育约1小时至约5小时的一段时间。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含炔烃化合物选自由炔烃修饰的不饱和脂肪酸、炔烃官能化的硼酸及其组合组成的组。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含炔烃化合物选自由亚油酰胺炔、4-(二羟基硼苯基)乙炔及其组合组成的组。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SERS活性物质包括所述SERS活性物质的纳米颗粒。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述SERS活性物质包括金纳米颗粒。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SERS活性物质的每个纳米颗粒的直径为约5nm至约250nm。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述SERS活性物质的每个纳米颗粒的直径为约60nm至约100nm。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述混合物中SERS活性物质的纳米颗粒的浓度在约1×1010个颗粒/mL至约1×1012个颗粒/mL的范围内。
10.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述混合物中的一个或多个经修饰的活细胞的浓度在约20,000细胞/mL至约30,000细胞/mL的范围内。
11.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导管的尺寸被设计成在沿其长度的每个位置处可以容纳一个经修饰的活细胞。
12.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导管的尺寸被设计成适于容纳一个经修饰的活细胞。
13.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号包括检测在1800cm-1至2200cm-1区域内的表面增强拉曼信号的模式和/或强度的变化。
14.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号包括将辐射引导至所述导管中的时间段在约8秒至约12秒的范围内。
15.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述从导管中的混合物中检测表面增强拉曼信号包括以反向散射几何形状收集所述表面增强拉曼信号。
16.如权利要求1所述的方法，其特征在于，评估所述活细胞的状态包括确定所述活细胞的脂质过氧化的存在和/或程度。
17.如权利要求1所述的方法，其特征在于，评估所述活细胞的状态包括确定所述活细胞上唾液酸(salic acid)的存在和/或含量。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述活细胞上唾液酸的含量与来自所述导管中的混合物的表面增强拉曼信号相关。
19.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述一个或多个活细胞包含在样品中，并且所述检测是体外检测。
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN112255215A (zh) * 2020-09-16 2021-01-22 清华大学 检测分析活体细胞生命活动状态的修饰二聚体表面增强拉曼的方法
CN114235773A (zh) * 2020-09-09 2022-03-25 南京大学 一种用于细胞膜修复过程动态监测的拉曼成像方法

Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US11150191B2 (en) 2019-03-01 2021-10-19 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Automatic, real-time surface-enhanced raman scattering (SERS) analysis
US11624742B2 (en) 2019-10-18 2023-04-11 The Board Of Regents Of The University Of Oklahoma Photonic crystal gas sensor
CN113624736B (zh) * 2021-07-07 2023-12-08 张鑫 一种基于拉曼效应的微生物浓度快速检测方法

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1815197A (zh) * 2006-02-24 2006-08-09 清华大学 基于纳米颗粒表面增强拉曼谱的光子晶体光纤探针传感器
CN102066905A (zh) * 2008-04-14 2011-05-18 通用电气公司 基于空芯波导的拉曼系统和方法
US20110176130A1 (en) * 2007-09-04 2011-07-21 Claire Gu Liquid core photonic crystal fiber biosensors using surface enhanced raman scattering and methods for their use
CN102661941A (zh) * 2012-04-19 2012-09-12 湖南大学 基于拉曼活性纳米颗粒混合组装的循环肿瘤细胞的耦合增强sers高通量生物传感方法
CN102947738A (zh) * 2010-06-09 2013-02-27 新加坡科技研究局 光子晶体光纤传感器
WO2015038077A1 (en) * 2013-09-16 2015-03-19 Agency For Science, Technology And Research Method of detecting hydrogen peroxide

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20070134733A1 (en) 2003-07-10 2007-06-14 Parallax Biosystems, Inc. Raman signature probes and their use in the detection and imaging of molecular processes and structures

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN1815197A (zh) * 2006-02-24 2006-08-09 清华大学 基于纳米颗粒表面增强拉曼谱的光子晶体光纤探针传感器
US20110176130A1 (en) * 2007-09-04 2011-07-21 Claire Gu Liquid core photonic crystal fiber biosensors using surface enhanced raman scattering and methods for their use
CN102066905A (zh) * 2008-04-14 2011-05-18 通用电气公司 基于空芯波导的拉曼系统和方法
CN102947738A (zh) * 2010-06-09 2013-02-27 新加坡科技研究局 光子晶体光纤传感器
CN102661941A (zh) * 2012-04-19 2012-09-12 湖南大学 基于拉曼活性纳米颗粒混合组装的循环肿瘤细胞的耦合增强sers高通量生物传感方法
WO2015038077A1 (en) * 2013-09-16 2015-03-19 Agency For Science, Technology And Research Method of detecting hydrogen peroxide

Non-Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
TIANXUN GONG 等: "Highly sensitive SERS detection and quantification of sialic acid on single cellusingphotonic-crystal fiber with gold nanoparticles", 《BIOSENSORS AND BIOELECTRONICS》 *
TIANXUN GONG 等: "Rapid SERS monitoring of lipid-peroxidation-derived protein modifications in cells using photonic crystal fiber sensor", 《JOURNAL OF BIOPHOTONICS》 *
刘小龙 等: "光子晶体光纤表面增强拉曼散射衬底的研究", 《2009年先进光学技术及其应用研讨会论文集（下册）》 *
邸志刚 等: "基于银纳米颗粒的PCF SERS传感器优化设计", 《人工晶体学报》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114235773A (zh) * 2020-09-09 2022-03-25 南京大学 一种用于细胞膜修复过程动态监测的拉曼成像方法
CN114235773B (zh) * 2020-09-09 2024-02-09 南京大学 一种用于细胞膜修复过程动态监测的拉曼成像方法
CN112255215A (zh) * 2020-09-16 2021-01-22 清华大学 检测分析活体细胞生命活动状态的修饰二聚体表面增强拉曼的方法
CN112255215B (zh) * 2020-09-16 2021-08-17 清华大学 检测分析活体细胞生命活动状态的修饰二聚体表面增强拉曼的方法

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