西安電子科技大學胡波教授課題組在Analytical Chemistry期刊發表了題為“Dynamic Liquid Integrated Single-Cell SERS Platform Based on the Twisted Mixing Microfluidic Chip and Multi-Modified Nanoprobe for the Label-Free Detection of Cancer Cells"的論文。本文通過動態液體集成式單細胞SERS（DLISC-SERS）平臺無標記檢測單個癌細胞。基于片段加權相似性的KNN模型可以以高達100%、99.4%和99.5%的靈敏度、特異性和準確度對單細胞光譜進行分類，該模型的三向分類準確率為95.2%，DLISC-SERS平臺是在單細胞水平檢測癌細胞的有力工具。

表面增強拉曼散射（SERS）作為一種重要的拉曼檢測技術，具有靈敏度高、對生物樣品無創、抗光漂白等優點，這被認為是一種有前途的和很強的POCT技術，用于癌細胞結果與討論。但目前存在的主要問題是在增強拉曼散射時一旦在生物緩沖液如磷酸鹽緩沖鹽水（PBS）中，其具有高離子強度，降低了SERS檢測的靈敏度，使單細胞檢測變得困難，因此，開發一種長期、穩定、高靈敏度的單細胞SERS檢測納米探針是迫切而具有挑戰性的。

圖1為DLISC-SERS平臺，圖1a展示了組成平臺的三個模塊：扭曲混合模塊，3D流動聚焦模塊和SERS檢測模塊。圖1b為組裝完成的平臺實物圖（比例尺為10mm），三個模塊使用硅膠管連接形成管狀系統，并通過3D打印保持器固定，以保持整個系統的同軸狀態。圖1c為扭曲混合微流控芯片單通道單元的構造流程，是由等腰直角三角形持續扭轉形成的扭轉混合通道。圖1d為多功能納米探針Ag NSs@PEG@3COOH的示意圖，被開發用于單細胞SERS檢測。
 

圖2通過模擬與實驗優化了微流控混合通道結構：首先對比四種截面形狀，確定等腰三角形混合效果*佳（混合指數0.9984，圖2b(i)、2c）；其次在等腰三角形基礎上優化扭轉角度，發現30°時混合效果*佳（圖2b(ii)、2d）；然后固定30°等腰三角形截面，優化單位長度參數，確定單位長度≤1 mm時混合效果穩定（圖2b(iii)、2e）；*后展示了五種不同通道長度的微流控芯片使用10μM熒光素溶液的扭轉混合實驗，拍攝熒光圖像，并通過提取和歸一化穿過觀察區域的紅色虛線獲得熒光分布曲線（圖2f）。
 

圖3多功能化修飾納米探針的性能
 

圖3系統優化了多功能納米探針（Ag NSs@PEG@3COOH）及扭曲混合芯片的*優條件：TEM和UV-vis及Zeta電位證實星形結構修飾完好、PEG成功修飾且表面電負性可控（圖3a–e）；優化確定長/短鏈PEG比例為1:130時探針在PBS中穩定30 min（圖3f），pH 8時SERS信號*強（圖3g）；扭曲混合通道的SERS信號為直通道兩倍以上（圖3h–i）；芯片長度5（24 mm）時信號*優（圖3j–l）。綜上，為單細胞檢測提供了*優參數組合。
 

圖5 在DLISC-SERS平臺上對混合樣品進行無標記和動態單細胞檢測
 

圖4驗證了DLISC-SERS平臺對乳腺癌細胞（MDA-MB-231）的單細胞檢測能力：SWS-KNN分類模型對空白與乳腺癌細胞的分類靈敏度、特異度和準確度分別達100%、99.4%和99.5%（圖4a-b）；不同預設濃度下檢測到的細胞光譜數量隨濃度升高而增加（圖4c-d），且與預設濃度呈良好線性關系（R2=0.983），證實泊松分布模型的適用性（圖4e）。圖5進一步將該平臺應用于1:1混合的惡性（MDA-MB-231）與非惡性（MCF-10A）乳腺細胞的無標記分類檢測：SWS-KNN三分類模型的總體準確率為95.2%（圖5a-b）；對混合樣本中三類光譜（空白、乳腺癌細胞、乳腺細胞）的分類結果顯示，兩種細胞光譜計數比值平均為1.011，與輸入比例高度吻合（圖5c-e）。

總結：

該研究基于扭曲混合微流控芯片與多功能納米探針構建的動態液體集成單細胞SERS平臺，憑借其無標記、高靈敏、可動態檢測單細胞拉曼光譜的優勢，為癌癥早期診斷、微小殘留病灶實時監測、循環腫瘤細胞分析及個性化精準醫療提供了非常具有潛力的即時檢測技術工具。

作者簡介

胡波，西安電子科技大學生命科學技術學院教授、博士生導師，西安智能精準診療國際科技合作基地負責人。主要研究方向為基于人工智能、微流控芯片和光學檢測的單細胞與單分子智能檢測技術開發。在Advanced Science、ACS Sensors、Biosensors and Bioelectronics等期刊發表論文多篇。
 

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