分枝状银传感器提供更敏感的血浆中基于光的药物测量
作者: 拉维尼娅·迈尔-艾沃特(Lavinia Meier-Ewert)，莱布尼茨光子技术研究所(Leibniz Institute of Photonic Technology)
硫酸根导向银枝晶的电化学生长机制。图片来源：《先进科学》(Advanced Science)(2026)。DOI: 10.1002/advs.202517092
药物可以挽救生命，但对于某些药物而言，患者血液中的浓度决定了治疗是否有效或是否可能出现有害的副作用。德国耶拿的莱布尼茨光子技术研究所(Leibniz IPHT)的研究人员开发了一种传感器表面，能够以高灵敏度检测血浆中的药物，同时比同类银基表面提供显著更高的稳定性。他们的研究成果已发表在《先进科学》(Advanced Science)杂志上。
即使接受相同剂量，患者血液中的药物浓度也可能存在显著差异。因此，药物监测在重症监护医学、癌症治疗和严重感染治疗中尤为重要。目前，治疗药物监测通常使用复杂的实验室方法进行。尽管这些技术高度精确，但需要时间、专业设备和受过培训的人员。
莱布尼茨IPHT的研究人员正在努力用更快的基于光的方法来补充这些方法。该研究所的关键研究领域之一是拉曼光谱，目前正在推进其在癌症和感染诊断中的应用。这种技术使用激光来根据分子的特征光学信号来识别分子。新发表的研究采用了一种特别敏感的变体，称为表面增强拉曼光谱(SERS)。
让微弱信号可见
在拉曼光谱中，激光与样品相互作用并返回依赖于存在分子的细微变化。这些变化形成可用于识别化学物质的特征光谱模式。
然而，在血液血浆等医学样本中，这些信号通常极其微弱。因此，可靠地检测少量药物仍然是一个重大挑战。
SERS通过使用纳米级金属结构使这些信号可测量。银对这一目的特别有效，但它有一个缺点：材料暴露在空气中会逐渐变化。结果，测量性能可能随时间而下降。为了将来在医院和临床实验室中使用，传感器表面必须在存储期间保持稳定，并在较长时间内提供一致的结果。
提供更长时间可靠测量的银
为应对这一挑战，由达娜·西亚拉-梅(Dana Cialla-May)博士和弗拉基米尔·西瓦科夫(Vladimir Sivakov)博士领导的研究团队，与第一作者阿拉丹娜·德维迪(Aradhana Dwivedi)一起，开发了一种新的化学方法。研究人员在支撑基底上生长了微小的、高度分枝的银结构。在显微镜下，这些结构类似于微型树木。它们的许多分支创造了大量可以增强分子信号的位点。
该过程的一个关键要素是添加硫酸根离子。这些离子同时执行两种功能：它们引导枝状银结构的生长并保护其表面免受氧化。结果是一种SERS基底，它结合了高灵敏度、优异的重现性和长期稳定性。
在这项研究中，传感器表面在标准存储条件下至少七个月内保持完全功能。研究人员使用多种方法，包括在柏林亥姆霍兹中心(Helmholtz-Zentrum Berlin)的BESSY II同步辐射设施上的高分辨率X射线光电子能谱，确认了高表面稳定性和强SERS响应的来源。
"银是SERS最强大的材料之一，但其有限的稳定性长期以来一直是实际应用的障碍，"该研究的第一作者德维迪说。
"通过我们的方法，我们能够证明可以制造出高度分枝的银结构，这些结构不仅提供高灵敏度的测量，而且保持显著更强的坚固性，"西瓦科夫补充道。
"对于实际应用，仅灵敏度是不够的，"研究小组负责人西亚拉-梅说。"重要的是传感器能否在复杂的生物样本中提供可靠的信号并集成到实际的临床工作流程中。这正是我们希望推进SERS的方向。"
西亚拉-梅专门研究基于SERS的生物分析，并花费多年时间开发使用光从生物样本中提取信息的方法。她的研究重点是能够揭示甚至微量分子的传感器表面。该研究汇集了莱布尼茨IPHT紧密相连的多个专业领域：材料研究、X射线和拉曼光谱以及生物医学分析。
用抗癌和抗感染药物测试
在他们的研究中，研究人员使用五种药物化合物评估了新的传感器表面，包括抗癌药物和一种抗生素。这些物质首先在水中测量，随后在人血浆中测量。
血浆呈现出特别具有挑战性的环境，因为它含有蛋白质、盐和许多可能干扰分析测量的其他成分。通过使用简单的样品制备步骤，研究人员成功检测到了所有测试药物。
该研究表明，稳定的银基SERS基底未来可能成为治疗药物监测的重要组成部分，使人们能够更快地评估药物浓度是否保持在所需的治疗范围内。
"下一步是与临床合作伙伴密切合作，"西亚拉-梅说。"我们希望确定哪些临床问题最适合SERS，该方法与已建立的实验室技术相比如何，以及如何将其集成到实际的医疗工作流程中。我很乐意与临床研究团队合作推进这项工作。"
未来病床边应用
在该技术可用于患者病床边之前，需要进一步开发。血浆和血清的样品制备必须更简单，传感器生产必须可扩展和可重现，并且需要标准化的仪器和测量协议。此外，必须建立能够可靠识别光学信号的稳健数据分析方法——理想情况下以自动化方式。
便携式拉曼设备可能在这一过程中发挥重要作用。在莱布尼茨IPHT，紧凑型拉曼系统已经在为近患者诊断开发，包括与研究所的RamanBioAssay相关的应用，这是一种基于激光的快速测试，旨在从单一样品中识别病原体并确定有效抗生素。
特别是在危及生命的感染中，此类技术可以帮助加速医疗决策并改善患者护理。新的SERS研究通过提供一个稳定的传感器表面，为这一愿景贡献了一个重要组成部分，该传感器表面最终可能与便携式拉曼仪器和简化的床边工作流程相结合。
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