肺癌已占据恶性肿瘤榜首，成为我国居民的一大健康杀手。肺癌也是预后最差的恶性肿瘤之一，肺癌起病隐匿，早期无临床症状，80%以上的患者到医院就诊时，已失去了外科手术和多学科根治的最佳时机。“早发现、早诊断、早治疗”降低肺癌死亡率的重要措施，提高肺癌的早期检测水平是改善肺癌临床疗效的关键之一。随着分子生物学和医学研究的深入，研究发现肿瘤细胞或者对肿瘤有应激效应的细胞会分泌肿瘤标志物，并将进入体液和肿瘤组织之中。选择组织特异的肿瘤标志物，并检测其在体液中的含量，对癌症的中期诊断、癌症发展阶段的评估、介入治疗的最佳时间点选择，以及手术疗效观察具有重要的临床意义。在病变的早期这些肺癌标志物含量很低，因受检测灵敏度的限制，容易对标志物产生漏检，而且至今尚未发现敏感度和特异性俱佳的单一肺癌标志物。此外，肿瘤标志物检测的样本一般是血液或组织，通常成分复杂，测试结果易受干扰，影响检测可靠性。因此，面对实际疾病诊断中“快、准、早”的要求，针对肿瘤早期发现这一关键性问题，迫切需要在检测技术和方法学上取得突破，发展便捷、灵敏、价格低廉的高灵敏检测试剂/器件，对多种肺癌标志物实行联合检测，达到对早期肺癌的敏感和特异检测的目标。
项目组充分发挥团队在纳米材料制备、探针修饰、微流控芯片、生物传感技术及肺癌临床医学研究等方面的优势，整合课题组前期工作基础，集中投入人力、物力进行攻关，发展了两类用于肿瘤标志分子分析的生物诊断试剂，即用于肺癌早期诊断的量子点类试剂和表面增强拉曼光谱（SERS）生物传感器及芯片。其中量子点类试剂包含两种产品，即荧光量子点和量子点生物检测试剂；SERS生物传感器及芯片包含两种产品，即液相表面增强拉曼光谱传感器和阵列型SERS多元核酸检测芯片。上述产品性能优异，具有自主知识产权，拥有专利保护，市场竞争优势明显，可为肺癌早期诊断提供有效的纳米生物试剂及其器件。

1、  量子点类产品
（1）       荧光量子点
发展了厚壁核壳量子点的微波水相可控制备技术，利用微波水相“一锅法”，在短时间内（1-15 min）实现了具有不同CdS壳层厚度（1-11 层）的CdTe/CdS核-壳型量子点的可控制备（图1-1），尺寸均一、结晶性好，具有很好的分散性和高荧光量子效率（85%），量子点的发射光谱从530-914 nm连续可调（图1-2），具有非常高的光稳定性。该生产工艺简单、安全，成本远低于国外、国内同类产品。比如该量子点的原料成本仅为有机相制备量子点的5%，如果从总体生产成本来比较，则仅为有机相制备量子点的1%。Invitrogen、Evident Technology和珈源公司的生产工艺存在毒性大、工艺复杂、危险性高、原材料昂贵和无法大规模化生产等缺点。相比较而言，本项目采用的量子点生产工艺具有毒性小、工艺简单、原材料便宜、操作安全和易规模化生产等优点，并拥有专利保护（ZL201310403361.6）。
 
 
（2） 量子点生物检测试剂
量子点经链酶亲和素表面功能化后，通过链霉亲合素-生物素的相互作用与偶联生物素修饰的DNA分子，制备了高效量子点生物检测试剂。通过链霉亲和素-生物素相互作用构建量子点-DNA生物探针，链霉亲和素（streptavidin）-生物素（biotin）相互作用的亲和力非常高（亲和常数K=1015 mol/L），是目前已知的强度最高的非共价作用，比抗原、抗体间的亲和力（K=105~1011 mol/L）至少高1万倍，二者相互作用专一性强、结合稳定性好。通过设计DNA分子的碱基序列，可以构建针对一系列核酸标志物检测的量子点荧光检测试剂，满足广普检测的需要。通过采用量子点-磁珠荧光传感体系对肺癌核酸标志物miRNA-21的检测证实，量子点生物检测试剂的检测下限可达1 fM，线性检测范围为1 fM～10 pM（图1-3），同时表现出很好的检测特异性，可以分辨单碱基错配的核酸分子
 
2、 表面增强拉曼光谱（SERS）生物传感器及芯片
（1）液相表面增强拉曼光谱传感器
本项目研究并公开了一项液相表面增强拉曼光谱传感器、其制备方法及其用于核酸检测的用途。本项目合成了一种新型的复合SERS活性和磁性的磁核枝杈状金壳纳米颗粒，进一步设计并构建了四面体DNA探针修饰的磁核金壳纳米检测基底。通过在金纳米颗粒表面修饰单链DNA构建SERS探针，利用 “检测基底-目标核酸-SERS探针”三明治检测结构（图2-1），借助外加磁场分离检测液中的复合物并富集后进行SERS检测，实现了对于血清中肿瘤核酸标志物miRNA-21的高灵敏、特异性检测，检测限达到623 aM。该成果发表在Science China Materials上（Science China Materials, 2017, 60(11): 1129-1144），授权专利两项（ZL201410147748.4，ZL201710680340.7）。
（2）       阵列型SERS多元核酸检测芯片
本研究采用斜角沉积法蒸发镀膜技术制备了大面积、均一性好、SERS 性能好的AgNR阵列型SERS基底，并在基底表面修饰了三种带有不同拉曼活性分子的DNA探针（分子信标），构建得到了阵列型miRNA SERS多元核酸检测芯片（图2-3）。当未识别目标RNA时，DNA探针以发夹结构存在，拉曼活性分子靠近基底表面能产生很强的SERS信号；当识别目标RNA后，探针分子的部分序列与目标RNA序列互补配对形成双螺旋结构，拉曼活性分子远离基底表面使SERS信号减弱，通过SERS强度的变化实现对目标RNA的定性检测，如图2-4所示。SERS检测结果表明，通过表征SERS特征峰信号强度与初始信号的差值，银纳米棒阵列型SERS传感器可同时、有效地识别血清中的3种肺癌标志物miRNA-21/486/375。基于上述SERS核酸传感器，我们开展了人血清样品中肺癌标志物核酸miRNA-21、miRNA-486、miRNA-375的联合检测，三种探针ROX、Cy5、FAM的结果均显示出良好的特异性（如图2-5），且当标志核酸miRNA-21、miRNA-486、miRNA-375浓度分别在1 fM-100 pM、1fM-1 nM、1 fM-100 pM之间时，拉曼信号强度与浓度之间存在有良好的线性关系（如图2-5），检测限分别达到393 aM、176 aM、144 aM。此类传感器表现出稳定性好、可重复性优和可循环使用等优点，可用于血清样品中多种低丰度肿瘤核酸标志物的快速、联合检测，为拓展SERS技术在肿瘤早期检测中的广泛应用提供了技术支持。成果发表在Nanoscale, 2016, 8, 17365 – 17373，公开发明专利一项（2016100656880）。