随着对癌症早期诊断需求的日益增长，研发高灵敏度且快速检测生物标志物（如RNA、肽、抗原/抗体等）的新技术已成为亟待解决的科学问题与技术难题。目前，现有的生物标志物检测技术，如酶联免疫吸附测定（ELISA）和逆转录聚合酶链反应（RT-PCR），普遍存在灵敏度低、结果不够准确、操作复杂和检测成本高等问题。因此，探索新的检测方法以实现高灵敏的生物标志物检测尤为迫切。表面等离激元共振（SPR）生物传感器因其操作简单、免标记、快速检测和良好的稳定性，已成为检测与疾病相关的抗原/抗体、DNA/RNA及药物研发的重要工具。然而，传统SPR生物传感器的灵敏度常常无法满足对微量分析物的可靠检测需求。因此，研发一种超灵敏、免标记、高选择性且快速检测生物分子的新型传感器，对于疾病的早期诊断具有重要意义。
针对上述科学问题和技术挑战，近日，燕山大学薛天宇教授、天津工业大学柳丽轩副教授、首都医科大学北京世纪坛医院樊庆主任医师在《ACS Nano》期刊发表了题目为“Atomic-level Defect Engineering in GeP Nanoflake Biosensors for Gastric Cancer Diagnosis”的研究，燕山大学材料科学与工程学院博士研究生常少鹏和首都医科大学世纪坛医院李哲宏为论文的共同第一作者。该研究提出了亚稳GeP材料的原子级缺陷工程策略，设计并构建了基于单原子缺陷工程的亚稳GeP材料SPR生物传感器，实现了对不同患病阶段胃癌患者组织样本中生物标志物miRNA的高灵敏度检测，该传感器的检测极限达到28.6 aM。这一成果不仅推动了亚稳GeP材料在生物传感器领域的应用，还为其他癌症生物标志物的检测提供了新的研究思路和技术方案。
研究者使用亚稳GeP材料作为生物传感层材料设计了一种高灵敏的SPR生物传感器。通过Ar等离子体刻蚀处理实现对GeP纳米片缺陷和厚度的精确控制，并利用GeP纳米片表面缺陷处的高化学活性，促进了金纳米粒子(AuNPs)在原子级缺陷处的原位生长。模拟结果揭示了AuNPs的局域表面等离激元共振(LSPR)与金膜的表面等离激元波耦合增强传感器灵敏度机制。使得基于单原子缺陷工程的亚稳GeP材料SPR生物传感器能够高灵敏度检测胃癌标志物miR378c。
图1. GeP的晶体结构、单原子缺陷工程、原位生长AuNPs和SPR生物传感器
研究者采用Ar等离子体刻蚀方法在GeP纳米片表面可控构筑单原子缺陷。通过不同功率的Ar等离子体刻蚀处理来控制GeP纳米片上缺陷的密度，通过不同刻蚀时间来控制GeP纳米片的厚度，并使用Raman光谱和AFM等对刻蚀过程进行表征。
图2.Ar等离子体刻蚀亚稳GeP纳米片
研究者设计了一种将AuNPs原位生长在亚稳GeP纳米片原子缺陷处的策略。如图3所示，亚稳GeP纳米片单原子缺陷位点具有更高的能量和化学活性，可以实现AuNPs的原位成核和生长。
图3. 亚稳GeP材料单原子缺陷处原位生长AuNPs
研究者设计并构建了基于单原子缺陷工程的二维GeP材料SPR生物传感器，系统测试低浓度胃癌标志物miR378c的角度分辨SPR光谱，实现对胃癌标志物miR378c的高灵敏度检测，最低检测极限达到28.6 aM，动态检测范围达到5个数量级（10-16 M至10-11 M），此外，该传感器还表现出优异的选择性、重复性和可再生性。
图4.基于GeP纳米片的SPR生物传感器用于miRNA检测。
为了评估基于亚稳GeP纳米片的SPR生物传感器在胃癌患者临床诊断中的应用潜力，研究者量化了胃癌患者病理组织样本中miR378c的相对表达水平。通过SPR生物传感器与RT-qPCR技术共同检测了20例临床供体组织中miR378c的浓度，发现两者具有良好的相关性。重要的是，使用SPR生物传感器能够检测临床III期样品的miR378c浓度，而RT-qPCR无法定量miR378c浓度（低于20 fM检测限）。此外，与RT-qPCR结果相比，SPR生物传感器在预测健康（特异性）的一致性为100%。这些结果说明基于GeP纳米片的SPR生物传感器在癌症诊断中的实用性和应用潜力。
图5. 基于GeP纳米片的SPR生物传感器用于胃癌临床患者诊断
总结
本研究提出一种基于亚稳GeP材料的单原子缺陷工程的策略，结合亚稳材料的表面化学修饰，可控制备了二维GeP生物传感材料，缺陷工程策略为SPR生物传感器的GeP敏感层材料提供了更多活性位点，从而显著提高了传感器的灵敏度。作为概念验证，该传感器成功实现对临床胃癌患者组织样本中癌症标志物miR378c的高灵敏度检测，最低检测极限达到28.6 aM，动态检测范围达到5个数量级（10-16 M至10-11 M），该传感器表现出良好的选择性和重复性，展示了基于亚稳GeP材料的SPR生物传感器在癌症诊断的应用潜力。
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