基于SERS借力策略的纳米探针 实现单细胞水平线粒体ROS原位动态监测

杨朝勇课题组近期在Angew. Chem. Int. Ed.期刊上发表了题为“Direct and Simultaneous Identification of Multiple Mitochondrial Reactive Oxygen Species in Living Cells Using a SERS Borrowing Strategy”的文章。该工作提出了一种基于表面增强拉曼散射（SERS）借力策略的Au@Pt核壳结构纳米探针，能够吸附多种活性氧物种（ROS），获取其拉曼指纹图谱，从而同时检测和区分多种不同ROS。通过表面修饰三苯基膦（TPP）分子，Au@Pt-TPP纳米探针能够靶向线粒体，实现单个活细胞内线粒体中多种不同ROS的原位动态监测。 

背景介绍

活性氧物种（ROS）是一类具有强反应活性的含氧物质（包括•O₂^–，H₂O₂，•OH和¹O₂等）。细胞线粒体中ROS的过度产生或紊乱会破坏细胞氧化还原平衡，引起细胞氧化应激，影响正常的生理过程，甚至导致多种疾病，包括癌症、炎症、心血管疾病和神经退行性疾病等。为了深入理解多种ROS在生物学过程中扮演的角色和发挥的作用，需要发展能够同时检测并准确区分多种ROS的方法。但是，目前活细胞水平检测ROS的方法，包括荧光法、电化学法和拉曼光谱法等，都难以满足上述要求。荧光探针大都只能对单独某一种ROS进行检测，且探针的设计和合成十分复杂，也存在探针容易被光漂白和生物相容性差等缺点；电化学法的电极插入对活细胞有一定的伤害和影响，而且电极在亚细胞水平的定位精度不足；拉曼光谱法通过化学反应间接检测ROS，且很难实现对多种不同ROS的同时检测和区分。因此，发展能够同时检测和区分活细胞中多种不同ROS并原位监测ROS动态变化的方法是一项重大的挑战，也是亟待解决的重要问题。

设计思路

为了解决上述问题，杨朝勇课题组提出了一种基于SERS借力策略的Au@Pt核壳结构纳米探针。壳层金属Pt能够吸附多种ROS，并借助具有极高SERS活性的内核Au纳米粒子的电磁场长程效应，提升壳层金属SERS的增强性能。Au@Pt纳米探针可以直接获取多种不同ROS的拉曼指纹图谱，对物种进行指认。不同的ROS的分子振动模式不同，相应的拉曼信号峰的位置也不同，因此可以实现多种不同ROS的同时检测和准确区分。当Au@Pt表面修饰TPP分子后，Au@Pt-TPP纳米探针能够靶向细胞线粒体，并在显微拉曼光谱仪的辅助下，原位监测单个活细胞内线粒体中不同ROS的动态变化。

该工作设计了一种基于SERS借力策略的Au@Pt纳米探针，Pt壳层能够吸附多种ROS，并借助内核Au的SERS活性，获取多种ROS的拉曼指纹图谱，同时检测和区分多种不同ROS。在Au@Pt表面修饰TPP后，Au@Pt-TPP纳米探针能够靶向细胞线粒体，实现外界刺激条件下单个活细胞内线粒体中多种不同ROS的同时原位监测。未来可将Au@Pt纳米探针应用于监测正常生理过程、细胞应激反应和疾病发生发展进程中细胞中ROS的动态变化和揭示不同ROS的作用机制。