單細胞氧化還原代謝的變化，不僅有助于揭示細胞異質(zhì)性，還能為預測細胞命運決策和疾病進展提供關(guān)鍵信息。傳統(tǒng)單細胞分析方法在監(jiān)測氧化還原代謝方面存在諸多不足。納米毛細管作為一種主流的分析工具，為單細胞分析提供了靈活性和高空間分辨率的優(yōu)勢。然而，由于納米尖端的尺寸和高曲率變化帶來的技術(shù)難點，傳統(tǒng)納米毛細管修飾方法存在諸多問題，如靜電組裝法，難以實現(xiàn)可控的納米顆粒組裝，導致SERS信號靈敏性和重復性差，而無法用于單細胞的氧化還原代謝監(jiān)測。
前期，杭州師范大學材料與化學化工學院黃又舉教授團隊提出了一種超疏水力誘導的超快速(5秒)界面納米粒子宏觀單層自組裝的納米薄膜工程化技術(shù)，并實現(xiàn)了納米粒子超晶格自組裝(Science Advances, 2021, 7, eabk2852；Journal of the American Chemical Society, 2025, 147,10369)。納米粒子宏觀單層膜可成功共形無損轉(zhuǎn)移到納米毛細管表面，使其具有高密度、高均勻性SERS活性熱點，確保了SERS信號靈敏度和重復性。通過進一步修飾氧化還原響應(yīng)探針，實現(xiàn)了對單細胞氧化還原代謝的高靈敏度和高重復性檢測。
2025年6月19日，相關(guān)研究工作以“Plasmonic Nanoparticle Monolayer-Decorated Nanopipette Enabling in Situ Monitoring of Single-Cell Redox Metabolism”為題發(fā)表在Angewandte Chemie International Edition上（2025, DOI: 10.1002/anie.202502129）。
圖1 等離激元納米顆粒單層膜修飾流程和單細胞監(jiān)測示意圖
與傳統(tǒng)方法相比，這種設(shè)計能夠提供更窄的納米間隙和更豐富的熱點分布，從而顯著提高了SERS檢測的靈敏度。同時，該方法還具備快速修飾（約5 min）、高信號重復性（RSD僅為7.5%）等優(yōu)勢。得益于探針的氧化還原可逆響應(yīng)性和SERS活性納米毛細管的優(yōu)異檢測性能，該方法可同時檢測六種氧化還原分子，包括谷胱甘肽、半胱氨酸、抗壞血酸、羥基自由基、次氯酸和過氧化氫，且檢測限滿足單細胞分析需求。這種多分子同時檢測的能力為全面評估細胞內(nèi)的氧化還原狀態(tài)提供了可能，有助于深入理解細胞在不同生理和病理條件下的氧化還原動態(tài)變化。
圖2 本方法與傳統(tǒng)方法納米顆粒修飾納米毛細管的效果對比。
此外，利用該技術(shù)對單細胞鐵死亡過程中的氧化還原代謝和細胞膜損傷進行了深入研究。鐵死亡是一種鐵依賴性的非凋亡細胞死亡方式，涉及脂質(zhì)過氧化、氧化應(yīng)激以及細胞膜完整性損傷。通過同時進行光信號和電信號記錄，本研究揭示了不同鐵死亡誘導劑對細胞氧化還原代謝和細胞膜完整性的影響，為深入理解鐵死亡的分子機制提供了新的視角。該工作不僅推動了單細胞分析技術(shù)的發(fā)展，也為深入研究氧化還原代謝相關(guān)生理和病理過程提供了有力工具。
該工作第一作者為杭州師范大學博士后江蕾博士、華東理工大學博士研究生趙夢琪，通訊作者為杭州師范大學黃又舉教授和華東理工大學李大偉教授，杭州師范大學為第一單位。該工作得到了國家自然科學基金（22304042、22176058、52222316）及中央高；A(chǔ)研究基金（222201717003）等項目的支持。
原文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202502129
作者簡介
通訊作者黃又舉教授簡介
黃又舉，教授，博士生導師，國家優(yōu)青，杭州師范大學材料與化學化工學院副院長。2010年博士畢業(yè)于中國科學技術(shù)大學，師從李良彬教授。2010-2014年在新加坡南洋理工大學做博士后。2014-2019年在中科院寧波材料所工作，任副研究員/項目研究員。2017-2018年，在德國馬普所高分子所做訪問學者。2019年9月入職杭州師范大學，組建納米生物傳感器關(guān)鍵材料團隊。長期從事納米生物傳感器探針材料基礎(chǔ)及應(yīng)用研究，提出了智能高分子調(diào)控“納米晶核補丁”策略，量身定制出30多種高效可醫(yī)用探針材料；發(fā)展了探針材料的智能多功能表面修飾策略，實現(xiàn)了不同維度（1D、2D和3D）的宏觀可控自組裝，揭示了探針材料與傳感器性能內(nèi)在關(guān)聯(lián)性；研發(fā)了系列高性能納米生物檢測技術(shù)，探索了在食品安全和醫(yī)療領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。以第一/通訊作者在Science Advances, Journal of the American Chemical Society, Angewandte Chemie International Edition, Advanced Materials, Chemical Society Reviews等期刊上發(fā)表SCI論文100余篇。被引用11000余次，H因子為55。授權(quán)中國和美國發(fā)明專利35件。主持科研項目20余項，包括6項國家自然科學基金。獲首屆浙江省青年科技英才獎（2021年）和浙江省自然科學二等獎（2023年，第一完成人）。入選浙江省海外高層次人才引進計劃（2016年）和國家自然基金委優(yōu)秀青年項目（2022年）。
通訊作者李大偉教授簡介
李大偉，教授，博士生導師，華東理工大學化學與分子工程學院副院長。2000年獲鄭州工業(yè)大學環(huán)境工程專業(yè)學士學位，2008年獲大連理工大學環(huán)境工程專業(yè)博士學位，2009年進入華東理工大學化學與分子工程學院開展博士后研究，2011年留校任教至今，期間于2015年赴美國密歇根大學化工系訪學，2017年入選上海市浦江人才計劃，現(xiàn)為華東理工大學化學與分子工程學院教授、博士生導師、副院長，中國分析測試協(xié)會理事，高校分析測試分會常務(wù)委員，主要從事表面增強拉曼光譜分析研究，在Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等國際著名學術(shù)期刊上發(fā)表SCI論文100余篇，授權(quán)發(fā)明專利10余項；主持承擔國家及省部級科研項目10余項，獲中國分析測試協(xié)會科學技術(shù)獎特等獎1項（第三完成人）。
第一作者江蕾博士簡介
江蕾，杭州師范大學-中南大學聯(lián)合培養(yǎng)博士后。從事功能化貴金屬納米結(jié)構(gòu)的設(shè)計合成，表面增強拉曼光譜靈敏快速分析平臺的構(gòu)建和生物活性分子的超靈敏抗干擾分析。相關(guān)研究工作以第一作者在Angewandte Chemie International Edition, Advanced Science, Analytical Chemistry, Biosensors& Bioelectronics等國際知名期刊發(fā)表SCI論文9篇。曾獲國家獎學金，校優(yōu)秀畢業(yè)生等榮譽，現(xiàn)主持國家自然科學青年基金項目1項。
