组成图示
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传感器类型
表面增强拉曼(SERS)生物传感器
检测对象
酞菁四磺酸盐（PcTS）、铜离子（Cu2+，Fe3+为对照）；样品基质：20 mM MES缓冲液（pH 6.5）
检测原理
该传感器以α-突触核蛋白包覆AuNP的二维紧密阵列为SERS基底。Y136C突变体通过Au-S共价键固定在AuNP表面，蛋白壳厚度约3 nm，使PcTS与金属核保持适合SERS增强的距离。PcTS作为α-突触核蛋白的特异性配体结合到蛋白壳外表面，并被邻近AuNP的局域表面等离子体热点增强，产生685/725 cm-1等拉曼峰。当Cu2+存在时，Cu2+与PcTS中心螯合，改变四吡咯环的电子结构和振动模式，产生748和954 cm-1特征峰；Fe3+不产生该特征响应。通过监测748 cm-1峰强度即可定量Cu2+。信号放大主要来自AuNP间等离子耦合、二维阵列均一性以及蛋白壳厚度控制。
检测灵敏度
LOD: 1 μM (0.17 ppm)
效应效果
Y136C-AuNP在pH 4.4的柠檬酸缓冲液中可形成紧密单分散二维阵列，SPR峰仅由525 nm红移至532 nm，表明颗粒分散良好。20 μm×20 μm区域SERS mapping显示685 cm-1峰强度标准偏差为8.39%，说明表面信号均一。随浸渍时间从20 min增至5 h，单位纳米粒子拉曼强度（RINP）提高3倍以上，证明AuNP间等离子耦合贡献增强。Cu2+检测限为1 μM（0.17 ppm），且可在0.17 ppm水平区分Cu2+与Fe3+；Fe3+不产生748/954 cm-1特征峰。阵列在有机溶剂和高盐条件下稳定。作者认为该平台可拓展为蛋白基SERS生物传感器，用于疾病相关蛋白配体、药物候选物或化学活性的高通量筛选。
传感器的构成
- 基底：玻璃片（glass slide），经羟基化或烷基化处理，提供支撑并调控AuNP二维组装表面化学
- 纳米材料修饰层：α-突触核蛋白包覆金纳米粒子（α-synuclein–AuNP，Y136C突变体，~10 nm AuNP，蛋白壳~2.97±0.59 nm），自组装成紧密二维单分子层，形成SERS热点
- 识别元件：α-突触核蛋白蛋白壳（Y136C），特异性识别并结合酞菁四磺酸盐（PcTS）
- 信号标记物：酞菁四磺酸盐（PcTS），结合于蛋白壳外表面，作为拉曼活性配体产生SERS信号
- 反应物/被测物：铜离子（Cu2+，Fe3+为对照），与PcTS螯合改变其结构并产生特征拉曼峰
- 读出装置：647 nm激光微拉曼系统（LabRam 300，CCD detector），记录SERS光谱并定量748/954 cm-1峰
中文摘要
表面增强拉曼散射（SERS）弱拉曼信号的增强一直是获得高质量SERS信号的挑战。本研究利用帕金森病相关蛋白α-突触核蛋白（α-synuclein），引入以超薄α-突触核蛋白壳单独隔离的SERS活性金纳米粒子（AuNPs），并将其在玻璃支撑体上组装为紧密堆积的单分子二维阵列，从而实现对其病理蛋白化学配体酞菁四磺酸盐（PcTS）的定量SERS检测。随后，结合PcTS的SERS基底还被证明能够通过PcTS与金属离子的原位螯合化学反应，高选择性地检测铜离子至亚ppm水平，从而区分铁和铜两种具有重要生物学意义的金属离子。因此，这种基于蛋白的二维AuNP SERS平台策略可进一步发展为定制化的蛋白基生物传感器系统，用于检测固定包覆蛋白的特异性化学/生物配体及其生化反应活性。
英文摘要
The enhancement of weak Raman signals has been challenged to obtain high-quality signals of surface-enhanced Raman scattering (SERS). By employing the Parkinson's disease-related protein of α-synuclein, we introduce SERS-active gold nanoparticles (AuNPs) individually isolated with an ultrathin α-synuclein shell and their 2-D array into a tightly packed monolayer on a glass support, which permits a quantitative SERS measurement of phthalocyanine tetrasulfonate (PcTS), a chemical ligand of the pathological protein. Subsequently, the PcTS-bound SERS substrate was also shown to be capable of discriminating two biologically important metal ions of iron and copper by detecting copper ion to the sub-ppm level in a highly selective manner via the in situ chemical reaction of metal chelation to PcTS. The strategy of using the protein-based 2-D AuNP SERS platform, therefore, could be further developed into a custom-made protein-based biosensor system for the detection of not only specific chemical/biological ligands of the immobilized coat proteins but also their biochemical reactivities.