基于新型SERS基底的猪呼吸与繁殖综合征病毒无标记高效检测方法研究

The Porcine reproductive and respiratory syndrome (PRRS) is a global pandemic caused by Porcine reproductive and respiratory syndrome virus (PRRSV). PRRSV is single-stranded RNA virus and has different strains due to easily mutate. It brings about great difficulty to the diagnosis and prevention of PRRS. The project plans to fabricate novel high quality orderly Surface Enhancement Raman Scattering (SERS) substrates. Then PRRSV can stretch uniformly and directional on the SERS substrate by molecular combing method. Scanning the RNA strains of PRRSV with Confocal Raman - Atomic Force - Near Field Optical Microscope Integrated System, we can get the AFM images and SERS spectra of RNA strains at the same time. The SERS spectra of each RNA micro-area can be positioned by AFM images. Combine location information and analysis of SERS spectra, the concentration and the base change of those micro areas of viral RNA can be quantitative detected, thus establishing a label-free and efficient detection method which is quite suitable for easily mutated virus like PRRSV. Moreover, the quantitative relation between the morphology and structure of silver nanostructure SERS substrates and Surface enhancement effect can also be studied by the fabrication and characterization of SERS substrates. The project will provides effective supporting for early diagnosis and detection of PRRS and the improvement of SERS theory mechanism.

猪呼吸与繁殖综合征是由猪呼吸与繁殖综合征病毒引起的危害巨大的全球流行性传染病。该病毒具有快速变异的特性，极易因基因突变而产生新毒株，给此类疾病的诊断与防治带来极大的困难。本项目拟建立一种新方法制备新型高质量有序的表面拉曼散射增强(SERS)复合基底，利用新型基底的有序结构特性，以分子梳技术定向均匀拉伸病毒的RNA。以共聚焦拉曼-原子力(AFM)-近场光学显微镜综合测试系统对定向拉伸的病毒的RNA进行扫描，同时获得病毒RNA的AFM图像和SERS光谱图像。通过通过AFM图像共定位及光谱数据分析，实现病毒RNA的定量检测及碱基变化情况的测定，建立一种对该类易变异病毒普适的无标记高效快速的检测方法。此外通过SERS基底的制备和修饰进一步建立银纳米结构复合基底的形貌及结构参数与其表面增强因子之间的定量关系。本项目将为猪呼吸与繁殖综合征的早期诊断与检测以及SERS理论机制的完善提供重要的科学依据。

猪呼吸与繁殖综合征病毒具有快速变异的特性，极易因基因突变而产生新毒株，给此类疾病的诊断与防治带来极大的困难。表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS) 光谱由于其响应快、谱带清晰、峰形尖锐、分辨率高、具有“分子指纹”特性，还具有对样品损伤小和不受水以及样品自发荧光干扰等特点， 因此尤其适用于生物样品特别是多元组分样品的研究。相比起传统检测技术，SERS 光谱技术在对生物样品的快速无损检测的应用上极具优势。本项目本项目采取理论计算结合实验研究的方法，首先基于光在介质中的电磁辐射传输方程，分析了不同入射角度和介质边界条件下，光的在介质中的穿透深度，散射光等物理特征的变化情况。圆柱边界解析解为曲面介质提供了更好的数值近似结果斜入射带来时域、频域和空间域反射率曲线的改变，并由此可以更精确的反演组织的光学参数。且表面曲率对于有扩散相关光谱反演得到的运动粒子扩散速率误差有显著影响，曲率半径在小于6cm时不能忽略。接着通过两步阳极氧化法尝试制备了高度有序 TiO2 纳米管阵列，并结合人工神经网络算法分析了不同的生长参数与制备得到的 TiO2 纳米管阵列形貌参数的关系。实验结果表明“氧气气泡模具”的生长模型相比之前提出的“场致助溶”模型更能解释TiO2 纳米管阵列形貌特点。最后在原有固态离子学方法的基础上，结合了类光栅周期性模板，制备有序性良好的银纳米结构。当模板尺寸为 2μm 时，所生长制备的银纳米结构完全位于模板表面且具有一定的周期性条状结构，该条状结构的宽基本与模板尺寸对应。当增大模板尺寸时，模板对银纳米结构生长的影响作用减少，开始呈现不规律的细长、不连续的带状结构。此外该模板尺寸下获得的银纳米结构的SERS增强因子平均超过108，比无模板时增强效果提升了一个数量级。本项目将为SERS基底的制备以及SERS理论机制的完善提供重要的科学依据，并为其在生物大分子检测上的应用提供新的途径。