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该研究由Muhammad Ibrar、Tao Wang、Yanqing Luo、Yajun Ruan、Shiqinq Zhu、Yue Wu、Shuangfei Li、Ming Ying和Xuewei Yang共同完成。研究机构包括深圳大学的海洋藻类生物工程广东技术研究中心、华中科技大学同济医学院附属同济医院泌尿外科等。该研究于2023年10月11日发表在《ACS Applied Nano Materials》期刊上。
该研究属于纳米材料与生物传感交叉领域，主要关注前列腺癌（Prostate Cancer, PCA）的早期检测。前列腺癌是全球男性常见的恶性肿瘤之一，早期诊断对提高治疗效果至关重要。肌氨酸（Sarcosine）是前列腺癌的早期生物标志物，其尿液浓度的变化与疾病进展密切相关。传统的肌氨酸检测方法存在灵敏度低、操作复杂等问题。因此，开发一种高灵敏度、非侵入性的肌氨酸检测方法具有重要意义。
研究团队利用硅藻（Diatom）的生物硅壳（Frustule）作为基底，结合双金属纳米颗粒（Bimetallic Nanoparticles, Au/Cux）和肌氨酸氧化酶（Sarcosine Oxidase, SOX），构建了一种酶辅助的表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering, SERS）基底。该基底通过光子和等离子体共振的耦合效应，显著提高了肌氨酸的检测灵敏度。
研究分为以下几个主要步骤：
双金属纳米颗粒的代谢插入
研究团队选择Thalassiosira pseudonana硅藻作为模型，通过两阶段培养过程将金（Au）和铜（Cu）纳米颗粒代谢插入硅藻壳中。第一阶段将氯金酸（HAuCl4）和硅酸钠共递送至培养基中，培养3天；第二阶段在新鲜培养基中继续培养，直至铜纳米颗粒成功插入。通过紫外-可见光谱（UV-Vis）监测纳米颗粒的合成。
硅藻壳的表征
使用扫描电子显微镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、X射线衍射（XRD）和X射线光电子能谱（XPS）等技术对纯硅藻壳和双金属涂层硅藻壳进行形貌和结构表征。结果表明，双金属纳米颗粒均匀分布在硅藻壳表面，形成了高密度的等离子体热点（Hotspots）。
肌氨酸氧化酶的固定化
设计了一种带有硅藻亲和肽（Silaffin Peptide）标签的肌氨酸氧化酶（SOX），并将其固定在双金属涂层硅藻壳上。通过Bradford法和紫外-可见光谱验证了酶的高效固定化。
级联反应检测肌氨酸
将SOX固定化的双金属涂层硅藻壳（Bionps）与肌氨酸和3,3’,5,5’-四甲基联苯胺（TMB）混合，通过级联反应检测肌氨酸。SOX催化肌氨酸脱甲基化生成过氧化氢（H2O2），后者作为底物被双金属纳米颗粒催化氧化TMB，生成蓝色产物（oxtmb）。通过紫外-可见光谱和拉曼光谱检测反应产物。
表面增强拉曼散射（SERS）检测
使用633 nm激光激发Bionps，记录不同浓度肌氨酸的拉曼光谱。结果表明，Bionps在低浓度肌氨酸检测中表现出优异的灵敏度和重复性。
双金属纳米颗粒的代谢插入
成功将Au/Cux纳米颗粒插入硅藻壳中，形成了高密度的等离子体热点。TEM和EDX分析证实了纳米颗粒的均匀分布和化学成分。
硅藻壳的表征
SEM和TEM图像显示，硅藻壳的介孔结构在纳米颗粒插入后得到了保留。XPS分析进一步证实了SOX的成功固定化。
肌氨酸氧化酶的固定化
SOX的固定化效率达到90%，且固定化酶的活性显著高于悬浮酶。
级联反应检测肌氨酸
Bionps在肌氨酸检测中的催化效率比悬浮双金属纳米颗粒提高了5.47倍。级联反应的动力学参数表明，Bionps对H2O2的亲和力显著高于对照组。
表面增强拉曼散射（SERS）检测
Bionps在10^-8 M的低浓度肌氨酸检测中表现出优异的灵敏度，拉曼信号强度与肌氨酸浓度呈线性关系。
该研究成功开发了一种基于硅藻壳和双金属纳米颗粒的酶辅助SERS基底，用于前列腺癌早期标志物肌氨酸的高灵敏度检测。该基底通过光子和等离子体共振的耦合效应，显著提高了检测灵敏度，并在实际尿液样本中表现出良好的应用潜力。研究结果为非侵入性生物标志物检测提供了新的思路和方法。
新颖的研究方法
首次利用活体硅藻代谢插入双金属纳米颗粒，构建了具有光子和等离子体共振耦合效应的SERS基底。
高灵敏度的检测性能
Bionps在低浓度肌氨酸检测中表现出优异的灵敏度和重复性，检测限达到10^-8 M。
实际应用价值
该基底在实际尿液样本中表现出良好的应用潜力，为前列腺癌的早期诊断提供了新的工具。
研究团队还探讨了Bionps在不同pH和温度条件下的稳定性，结果表明固定化酶具有较高的pH和温度耐受性。此外，Bionps在长期储存后仍保持稳定的催化活性，表明其具有良好的应用前景。
通过以上研究，该团队为生物传感领域提供了一种创新的纳米材料设计思路，并为前列腺癌的早期诊断开辟了新的途径。