SERS技术在肺癌疾病的早期检测

近日，天津理工和中科院化学所王铁课题组以中空结构的MOF材料(ZIF-8)包裹在金超微粒上(GSPs@H-ZIF-8)作为基底，结合SERS技术实现了肺癌患者呼气中的醛类生物标志物的检测。GSPs@H-ZIF-8基底可以有效地排除干扰分子，检测限比非中空结构（GSPs@ZIF-8）基底的检测限低5倍。此外，利用此基底制备了口罩型传感器，结合PC-LDA方法对获得的光谱进行建模，以确定实际人群中的患病概率。文章链接DOI：10.1002/adfm.202202805

由于癌细胞和人体免疫系统的新陈代谢和生理过程不同，在健康人群和肺癌患者呼气中的挥发性有机化合物 (VOCs) 具有明显的统计学差异。因此，发展快速、准确、无创检测 VOCs 的方法有利于早期疾病的筛查。例如，呼气中的醛分子已被证明是肺癌细胞中的潜在生物标志物。然而，呼气的成分复杂，与疾病相关的生物标志物含量较低。为了获得稳定、准确的检测结果，检测方法须具有较强的抗干扰性和特异性。表面增强拉曼散射 (SERS) 光谱具有指纹信息丰富、灵敏度高、适合实时、多通道分析等优点，在痕量分析领域具有广阔的应用前景。此外，金属有机框架 (MOF) 材料的大比表面积和多孔结构使其更容易在 SERS 热点区域富集气体分子。然而， MOF 吸附缺乏针对性，一些非标志物也容易被 MOF 吸附并固定在热点区域，这严重干扰了 SERS 信号的可靠性和准确性 (图 1a) 。

基于以上问题，作者提出了一种可靠的SERS方法，利用中空结构的沸石咪唑骨架-8 (ZIF-8)包裹在金超微粒(GSPs@H-ZIF-8)上作为基底检测呼气中的醛类分子。当混合气体通过GSPs@H-ZIF-8时，它们的扩散速度变慢，并集中在空腔中。靶分子能够与GSPs上修饰的分子发生化学反应并被捕获到GSPs表面，从而产生了较强的拉曼信号。而干扰分子不能被捕获，故不会产生干扰信号(图1b)。因此，与非中空结构(GSPs@ZIF-8)相比，GSPs@H-ZIF-8具有更低的检出限，同时也减少了SERS光谱中非目标分子的拉曼信号干扰，使结果更加可靠。这为早期肺癌的筛查提供了新的思路。

总结：天津理工和中科院化学所王铁团队提出了一种高灵敏SERS策略，通过GSPs@H-ZIF-8基底特异性地检测肺癌患者呼气中的醛类生物标志物。与GSPs@ZIF-8相比，具有中空结构的GSPs@H-ZIF-8基底不会将干扰气体分子限制在SERS热点内，避免了检出限的降低和干扰分子占据检测位置造成的信号干扰。并将GSPs@H-ZIF-8基底嵌入呼吸阀中，制成口罩型传感器。通过PC-LDA方法对结果进行分类和测定，准确率为60%。本研究表明该传感器在肺癌疾病的早期检测方面具有很大的潜力。第一作者为中科院化学所博士李艾琳博士，合作者为乔学志博士（目前山东大学副教授）

A.L. Li, X.Z. Qiao, K.Y. Liu, W.Q. Bai, T. Wang. Hollow Metal Organic Framework Improves the Sensitivity and Anti-Interference of the Detection of Exhaled Volatile Organic Compounds. Adv. Funct. Mater.2022, 2202805.