近期，我校生物工程学院周楠迪教授团队在硫化氢检测方面取得重要进展，研究成果“Dual-Mode FL-SERS Biosensor for Self-Validating H2S Detection in Complex Matrices and Mitochondria-Targeted Cellular Imaging”正式发表于Analytical Chemistry（IF = 6.7）（https://doi.org/10.1021/acs.analchem.6c00460）。
硫化氢（H2S）是继一氧化氮和一氧化碳之后公认的第三种内源性气体信号分子。在食品发酵中，微量H2S有助于啤酒、葡萄酒的风味形成，过量则导致品质劣化；在生物系统中，H2S参与细胞稳态与信号转导，其代谢失调与心血管疾病、癌症转移等密切相关。传统检测方法大多依赖单一信号输出模式，在复杂基质中易受环境干扰，准确性和抗干扰能力有限；而单一模式的传感技术尽管各有优势，却难以同时兼顾灵敏度、稳定性和自验证能力。因此，开发高灵敏、高特异且具备自验证能力的双模式H2S检测工具具有重要意义。
为解决上述技术瓶颈，周楠迪教授团队基于H2S还原诱导叠氮基团（-N3）转化为氨基（-NH2）的反应，构建了荧光与SERS双模式生物传感器。该平台以UiO-66-N3@AuNPs为基底，其中-N3兼具荧光猝灭剂与SERS报告分子双重功能。无H2S时，通过光诱导电子转移效应猝灭UiO-66的荧光，同时在AuNPs的局域表面等离子共振增强下于2124 cm-1处呈现强SERS信号；H2S存在时，-N3被还原为-NH2，荧光恢复，拉曼信号衰减。两种光学信号对同一化学事件产生相反响应，可相互验证，有效降低假阳性/假阴性风险（图1）。该传感器在0.01–500 nM的宽动态范围内对H2S表现出良好的定量检测能力，检测限低至pM水平。在实际样品检测中，该双模式生物传感器在荧光模式下对啤酒和葡萄酒中H2S的加标回收率为96.46%–103.15%；在SERS模式下为98.40%–104.32%（图2）。为赋予肿瘤靶向与亚细胞器定位能力，研究团队进一步在基底表面修饰黏蛋白1适配体（MUC1 Apt）和线粒体靶向肽（MLS），构建了具有精准线粒体靶向功能的生物传感器（UiO-66-N3@AuNPs-Apt-MLS）。该传感器通过MUC1 Apt识别MUC1阳性肿瘤细胞，经MLS引导至线粒体，利用-N3与H2S的选择性快速反应，使两种模式的信号呈现反向相关性，实现对活细胞线粒体中H2S的实时、定量、高保真成像（图3）。
图1. FL-SERS生物传感器的制备及其对H2S检测与成像的原理图：（A）UiO-66-N3@AuNPs的制备；（B）实际样品中H2S的检测；（C）UiO-66-N3@AuNPs-Apt-MLS的构建；（D）FL-SERS传感器对细胞线粒体内H2S的双模成像。
图2. FL-SERS基底的（A）荧光光谱、（B）SERS光谱及（C）FTIR光谱；（D）不同Na2S浓度下的荧光光谱，（E）0.01−1 nM和（F）5−500 nM范围内F425与Na₂S浓度对数的线性关系；（G）不同Na2S浓度下的SERS光谱，（H）0.01−1 nM和（I）5−500 nM范围内I2124与Na2S浓度对数的线性关系。平均值±标准差（n = 3）。
图3. HeLa细胞经FL-SERS生物传感器及Cys（50 μM）或SAM（50 μM）处理后的（A）荧光成像及（B）SERS成像；HEK-293T细胞在相同条件下处理的（C）荧光成像及（D）SERS成像。
上述研究工作中，江南大学23级硕士生沈洋和23级博士王赟为共同第一作者，王晓丽副教授为论文的通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金项目（32371430）和中央高校基本科研业务费专项资金（JUSRP202404007）等的资助。
近年来周楠迪教授团队研究方向包括核酸适配体的筛选优化和应用、分子诊断技术、新型纳米生物传感器的研制、智能纳米器件的构建和应用、POCT产品研制、食品安全检测、发酵过程中代谢物监测等方面。相关研究成果已发表在Analytical Chemistry、Biosensors and Bioelectronics、Chemical Engineering Journal、Small、Food Chemistry、Talanta、Sensors and Actuators B: Chemical、ACS Applied Materials & Interfaces等本领域权威期刊。
