黄又举教授团队在Chemical Engineering Journal上发表“催化活性调控刻蚀的比色可视化传感器用于癌症早期诊断”的研究成果

近日，我院黄又举教授团队在AuNPs催化活性调控AuNRs刻蚀的超灵敏比色可视化传感器用于癌症早期诊断方面取得新进展。相关研究结果以“Catalytic activity-modulated etching of plasmonic gold nanorods enabled ultra-sensitive colorimetric strategy for Early-Stage cancer diagnosis”为题发表在Chemical Engineering Journal (Q1, IF=15.1)。DOI: 10.1016/j.cej.2023.146689。

贵金属纳米材料因其具有独特的物理化学性质而被广泛关注。其中优异的光学信号响应是重要的特性之一，因此被广泛用作比色可视化检测的首选材料，应用于医学临床诊断、现场环境检测和食品安全检验等方面。但现有基于贵金属纳米材料的比色可视化技术还存在以下不足：(1)对目标物的特异性响应较差；(2)结果分析的准确度有待提高；(3) 宽范围颜色变化单一导致区分度差；(4)响应速度不可控导致灵敏度较差。针对以上问题，黄又举教授和丁彩萍博士在贵金属纳米材料构建高灵敏高精度的彩色裸眼多色可视化传感器领域取得了一系列成果。

(1) 提出并设计了特异性双酶级联反应可视化传感器用于多种食品病原菌鉴别(Biosensors and Bioelectronics, 2023, 15, 234, 115344)。主要是根据细菌内特异性不同量的ALP导致AuNRs颜色的差异，并通过线性判别分析数据对多种细菌进行精准鉴定可用于同时识别不同食物环境中的五种食源性病，该比色传感器具有快速无干扰，高准确度(99.57%)等优势。(2) 逻辑门驱动的双指标平衡刻蚀可视化策略用于肿瘤转移的便携诊断(Biosensors and Bioelectronics, 2023, 237, 115556)。利用肿瘤细胞中两种高表达物质的浓度差，开发了一种平衡刻蚀可视化试剂盒用于快速(10 min)精准区分肿瘤和正常细胞。结合逻辑门及机器学习对颜色进行精准的数字化处理，实现了肿瘤细胞的精准(99%)筛查判断。并且该平衡刻蚀可视化试剂盒的精准性也在大量癌症患者的真实样本中(尿液、胃液和胸膜腹水等)得到了验证，证明了此方法具有普适性和高精准性，是临床肿瘤细胞鉴别的一种有效技术。(3)染料复合增强可视化策略用于前列腺癌骨转移的便携诊断(Advanced Science, 2023, 2303159)。根据ALP特异性反应诱导的颜色叠加清晰地区分临界浓度(150 U/L)。同时，彩色图像中的重要颜色参数如红绿蓝(RGB)三通道强度和CIELAB坐标L*、a*和b*进一步获得精确的可视化信息。该染料叠加增强比色可视化方法可成功用于患者样本中异常ALP的监测，即实现前列腺癌骨转移早期的快速诊断。

本工作针对响应速度不可控导致灵敏度较差的问题，黄又举教授团队提出了一种简单的催化调控刻蚀的比色可视化策略，用于检测超低浓度(<10 nM)的MTs。具体设计为：(1) 通过可控地将低浓度的MTs修饰到Au NPs表面来实现可控的催化单元；(2) 不同MTs调控的Au NPs催化单元通过精确控制NaBH₄、对硝基苯酚(p-NP)、对氨基苯酚(p-AP)、KIO₃的反应产生蚀刻剂I₂；(3) 催化精确控制的化学反应从而控制Au NRs的蚀刻，输出高度鲜艳、色彩丰富的颜色结果。机理为：MTs的蛋白质电晕效应，调节Au NPs的催化活性，从而可控地调节Au NRs的蚀刻程度，以实现对MTs具有精确响应的比色可视化分析，可通过肉眼观察。该比色可视化传感器对0.1-3.5 nM范围内MTs表现出出色的线性关系，灵敏度低至28 pM。同时在检测时间上明显优于市售试剂盒(35 min VS 3 h)，仅占市售ELISA试剂盒检测时间的12 %。该比色可视化传感器也已被证明对许多肿瘤细胞(乳腺癌细胞、肺癌细胞、宫颈癌细胞等)、临床血液样品和其他蛋白质中的MTs有效检测，因此在早期诊断癌症的治疗应用中具有巨大的潜力。

图1. 催化调控刻蚀的比色可视化设计原理图及可行性分析结果

图2. 患者样本中MTs的检测及与ELISA试剂盒结果的对比

图3. 比色可视化传感器的普适性验证及混合样本中MTs的检测结果

杭州师范大学材料与化学化工学院青年教师丁彩萍博士该论文的第一作者，英国诺森比亚大学徐斌教授，杭州师范大学材料与化学化工学院黄又举教授为该论文的共同通讯作者。杭州师范大学为第一通讯单位。该研究工作得到了国家自然科学基金、浙江省自然科学基金等项目的资助。

https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.146689