西安交大/方吉祥教授團隊Nano Letters：新型納米傳感技術突破，助力早期肺癌非侵入性檢測

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肺癌是世界范圍內最致命的癌癥之一，早期診斷對于提高患者的生存率至關重要。然而，現有的檢測方法存在靈敏度低、成本高和操作復雜等問題。呼出氣體分析作為一種非侵入性、快速且友好的檢測方法，近年來備受關注。但其在氣態分析物的富集和檢測靈敏度方面仍有待進一步提升。

最近，西安交通大學生命學院方吉祥教授團隊結合了介孔金（Meso-Au）和金屬有機框架（MOFs），成功制備出具有高靈敏度和快速富集能力的新型氣體傳感器。研究中所使用的介孔金合成技術，得益于方吉祥教授團隊2018年在（Nature Communications，2018, 9, 521）上發表的研究成果。該研究提出了納米鑄造中“軟包裹”策略，解決了多年來利用介孔模板納米鑄造法制備貴金屬介孔結構中產物向分子篩模板外擴散溢出的技術難題。在本次研究中，介孔金因其大的比表面積和三維互通的孔道結構，有助于氣態待測物的擴散與富集，而ZIF-8空心殼層可以進一步富集目標分子，因此顯著提升了檢測的靈敏度。研究表明，該傳感器對肺癌診斷中的關鍵生物標志物苯甲醛的檢測限達到了0.32 ppb，顯示出對早期肺癌快速診斷的潛力，該新型納米結構在氣體傳感領域也具有廣泛的應用前景。這一新型納米結構在氣體傳感領域展示了巨大的應用前景，特別是在靈敏度上取得了重要突破。研究表明，該傳感器對肺癌診斷中的關鍵生物標志物苯甲醛的檢測限達到了0.32 ppb，顯示出對早期肺癌快速診斷的潛力。

圖1. A-C）MesoAu@ZIF-8蛋黃殼結構合成過程TEM圖，(D) 氣體檢測示意圖。

該研究的關鍵在于采用了“軟包裹策略”合成的介孔金和ZIF-8殼層的結合。研究團隊通過優化反應條件，成功實現了多個介孔金納米粒子的均勻包裹，并利用單寧酸選擇性蝕刻技術構建了獨特的“蛋黃殼”多級孔結構。這種新型結構不僅克服了氣態分子富集和檢測的難題，還通過有限元模擬分析了氣態分析物在傳感器中的濃度變化。一方面，MOF材料的大比表面積和多孔結構可以在通道中富集氣體分子。然而，另一方面，部分氣體分子可能會被吸附在MOF的多孔結構中，從而干擾醛類分子與SERS熱點的接觸，阻礙SERS信號的生成。為了更好地理解氣態分析物在MesoAu、MesoAu@ZIF-8和MesoAu@ZIF-8蛋黃殼中的濃度變化動態，研究團隊使用COMSOL Multiphysics軟件（版本5.5）進行了有限元模擬（圖2C-E）。這些模擬結果表明，對于MesoAu@ZIF-8，氣態分析物在檢測點周圍的濃度相對較低，而在中空蛋黃殼結構中濃度顯著較高。這可能得益于中空結構，相比于標準的MesoAu@ZIF-8的完全包覆，中空結構允許分析物更自由地擴散，不會被ZIF-8基質顯著吸附。此外，蛋黃殼結構中的中空區域確保了介孔金更容易接觸到分析物，這種可及性顯著增加了分析物與金表面的相互作用，這對于增強SERS信號至關重要。

圖2.（A） 原理圖：4-ATP與BA之間的席夫堿反應。（B）4-ATP與BA反應前后的歸一化拉曼光譜。C-E）Comsol模擬氣體的濃度變化：MesoAu；DMesoAu@ZIF-8以及MesoAu@ZIF-8蛋黃殼。F-H）SERS光譜。

另一方面，方吉祥教授團隊的研究關注了氣體吸附與納米結構之間的關系，為優化傳感器設計以實現快速響應時間提供了重要見解。這不僅有助于更深入地理解傳感器的工作機制，還推動了更靈敏和響應更快的基于SERS的氣體傳感器的發展。本次研究中，作者提出介孔金三維聯通的孔道結構可能會促進氣態醛的更快擴散，并縮短檢測的響應時間。另外通過ZIF-8殼層的包覆，形成的中空結構產生了獨特的擴散動力學。一旦分析物進入中空結構，它們往往會在那里停留更長時間，因為結構內的擴散速率比周圍環境慢。這種較慢的擴散速率可以防止分析物快速分散回到環境中。這導致中空卵黃殼內分析物的穩態濃度更高。因此，如圖3D所示，當達到吸附平衡時，MesoAu@ZIF-8蛋黃殼顯示出比MesoAu結構更高的苯甲醛拉曼強度。

圖3. (A) Au NPs、MesoAu、MesoAu@ZIF-8蛋黃殼的氣體分子吸附模型。 (B) 示意圖說明了Au納米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）、MesoAu@ZIF-8蛋黃殼對氣體分析物的捕獲和濃縮。 (C) 吸收熒光氣體分子后的Au納米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）和MesoAu@ZIF-8蛋黃殼的顯微鏡圖像及由上述熒光圖像獲得的相對熒光強度。 (D) 經4-ATP修飾的Au納米粒子（Au NPs）、介孔金（MesoAu）和MesoAu@ZIF-8蛋黃殼對苯甲醛（BA）的氣體吸附動力學。

研究意義與展望

這一研究成果標志著在非侵入性癌癥檢測領域邁出了重要一步，未來有望應用于便攜式SERS設備的開發，用于早期肺癌的輔助篩查。該研究不僅為SERS技術在氣態分子檢測中的應用提供了新的思路，還展示了MesoAu@ZIF-8納米結構在其他氣體傳感領域的廣泛應用前景。未來，研究團隊將繼續優化傳感器的結構設計，以進一步提升其靈敏度和實用性，為臨床診斷提供更加高效和便捷的解決方案。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.4c02267

研究團隊主頁鏈接：http://gr.xjtu.edu.cn/web/jxfang