增强拉曼灵敏度和磁分离使用膦酸封端的Fe检测尿石症3O4纳米团簇
由于钙基晶体占尿石症中尿晶体的85%以上，因此我们提出高度磁化和膦酸封端的Fe3O4纳米团簇有望识别大多数尿液晶体。我们始终相信，我们开发的纳米生物光子综合分析办法能够帮助医生预测结石成分，便于在未来找到精确的疾病原因和术前和术后药物治疗的方向。
表面功能化铁3O4纳米颗粒正在成为各种生物分子的选择性和磁性分离的有前途的试剂。原则上，通过对铁的表面进行工程设计3O4纳米颗粒，它们可以用作示踪剂来寻找和识别特定疾病的代谢物和分泌物。在这份报告中，我们开发了铁3O4通过FeCl之间的反应具有高磁化和氨基官能化表面的纳米团簇2、一种肼还原剂和一种明胶聚合物，用于演示磁分离的普遍尿液晶体。明胶包衣的Fe的表面3O4使用EDC和NHS通过胺偶联使用氨基丙基膦酸修饰纳米团簇，这导致其膦酸基团暴露并提高其对患者尿液中细Ca基尿晶体的亲和力。通过使铁3O4与尿晶体结合的纳米团簇通过拉曼光谱分析，容易鉴定出预浓缩尿成分的结晶类型。晶体振动峰的分配有望消除使用显微镜分析方法进行尿晶体诊断时发生的假阳性。样品制备和鉴定所需的时间不到10分钟。最后，我们证明了这种非侵入性分析平台对尿液代谢物中的单组分和多组分尿路晶体具有快速有效的检测率。该非侵入性分析平台与35名尿石症患者的诊断报告之间存在良好的相关性（86%）。我们期望这个铁3O4纳米团簇集成拉曼光谱法将提供晶体信息，能够在一定程度上帮助尿石症患者的早期管理。
尿石症是一种常见疾病，复发率高;持续性梗阻可能导致肾损伤。1在亚洲、欧洲和美国，尿石症的患病率约为 4-15%，并导致剧烈疼痛和肾衰竭风险。2–5常见的尿路结石包括草酸钙一水合物 （COM）、草酸钙二水合物 （COD）、羟基磷灰石 （HAP）、磷酸二钙二水合物 （DCPD）、鸟粪石、尿酸和半胱氨酸。据报道，尿石症患者的 COD、COM 和 HAP 发生率高达 ∼90%，大约 4% 为尿酸晶体。因此，感应Ca基尿路结石将占预测尿路结石成分的∼90%。
临床光学显微镜可根据晶体形状检测尿排泄物中的细小晶体，提供良好的解决方案。然而，目前使用显微镜的挑战是，从尿液标本中获得的晶体通常是无色和不规则的形状，这使得它们很容易被误解（如表1所示）。此外，存在过多的尿沉渣，蛋白质、细胞和细菌等其他物质也存在，这些物质会严重干扰尿晶体的评估，导致假阳性并错过早期治疗的时间。在这份报告中，我们开发了明胶包衣的Fe3O4纳米团簇（∼200 nm）通过一锅水热反应。团簇结构的形成有助于几个Fe的磁耦合3O4纳米域，有利于磁收集操作。由于磷酸基团对目标晶体上的钙离子具有很强的亲和力，因此在Fe上合成了膦酸末端表面3O4纳米团簇通过用氨基丙基膦酸修饰明胶间隔物（方案1a）。分离含有铁的样品后3O4纳米团簇作为示踪剂和收集器，它们被进行拉曼光谱分析。每个样品的特定振动峰被容易和快速地检测到，这有助于不同尿晶体类型的分配。最后，我们证明了这种新型纳米颗粒辅助生物光子学（纳米生物光子学）平台在尿液中含有COM，COD，HAP和混合形式的尿路晶体的临床标本上的成功应用，对于尿石症患者的准确性高达86%。只需约10分钟即可分析每个样品（方案1b）。
方案1（a） 膦酸封端Fe的制备示意图3O4纳米团簇。（b）我们开发的纳米生物光子综合分析平台的插图，用于快速分离尿晶体和鉴定晶体结构：（i）在冲击混合物（30 s）下通过pH调节解吸尿液晶体中的尿蛋白;（ii）用铁分离尿晶体3O4纳米团簇（30 + 30 + 10秒），然后在超声处理（20秒）下进行再分散;（iii）转移到玻璃基板上并在空气中干燥（5-8分钟）;和（iv）通过拉曼光谱分析（10秒）记录的数据。
纳米技术和纳米试剂的发展是一种有希望的利用，以帮助疾病诊断，检测和治疗治疗，而无需侵入性程序。6,7在这方面，铁3O4是纳米代理的潜在候选者，因此因其迷人的特性而引起人们的注意，包括其低成本，无毒性质，生物相容性和高磁化。8–13事实上，铁3O4纳米颗粒还具有作为分离器和吸收剂的优异功能，因此与传统的分离方法相比，具有快速的收集动力学，高吸收表面积，易于操作以及可能的自动化。14–22铁表面工程研究进展3O4纳米颗粒与叶酸，19,20单克隆抗体，21和亚硝基三乙酸镍22提供特异性磁导引热、靶向和分离以及MR造影增强的肿瘤成像的潜力。此外，Doschak等人开发了阿仑膦酸盐功能化的氧化铁纳米颗粒作为骨示踪剂来诊断代谢性骨病。17另一项关于合成双膦酸盐修饰磁铁矿纳米颗粒的研究表明，从血液中去除有毒铀酰离子具有良好的潜力。18值得注意的是，用膦酸封端结构的铁离子会对氧化铁的表面顺序产生负面影响。23铁的表面工程3O4具有Au纳米层和拉曼标签分子的纳米颗粒提供了一种增加热结位点数量的新方法，从而通过磁聚集的纳米颗粒实现表面增强的拉曼散射。24
在这项研究中，将混合TMA-柠檬酸盐-明胶分子设计为包覆在Fe表面的间隔物。3O4合成过程中的纳米团簇（方案1a）。游离氨基丙基膦酸随后被修饰到Fe的垫片上3O4纳米团簇用于尿液中寻求亲和力的细小Ca基晶体。本研究有助于（i）首次尝试确定磁连接膦酸末端Fe的能力3O4具有尿晶体的纳米簇与拉曼光谱相结合，以帮助诊断尿石症，（ii）临床标本的成功和实用分析，以及（iii）术前和术后临床分析的有前途的技术。
氯化亚铁（ii）四水合物（氯化铁）2·4H2O， 99–102%） （默克）， 柠檬酸三钠 （100%， J. T. Baker）， 苯-1，3，5-三羧酸 （三甲基苯甲酸 （TMA）， 98%） （阿法埃沙尔）， 肼一水合物 （N2H4·H2O， 98%） （阿法埃沙尔），N-（3-二甲氨基丙基）-N′-乙基碳二亚胺盐酸盐 （EDC） （Fluka 03450），N-羟基琥珀酰亚胺 （NHS） （奥尔德里奇）， 草酸钙一水合物 （COM） （Fluka）， 磷酸氢氧化钙 （西格玛）， 尿酸 （西格玛）， 磷酸镁铵 （鸟粪石） （西格玛）， 磷酸钙单基 （Riedel-de Haenwere）， 铁3O4NPs（阿法埃莎，20–30 nm）和商用铁2O3NPs（Sigma-Aldrich，50 nm）被购买用于无需纯化。
B型明胶是从Acros购买的。已知该材料是肽和蛋白质的混合物，并且由碱处理的胶原蛋白的部分水解产生。
氯化铁的试剂2·4H2O（10毫升，50毫升），三美酸（TMA）（4.5毫升，25毫米），NaOH（18毫克），明胶（15毫克），柠檬酸三钠（0.15克）和N2H4（0.1 mL）在23 mL特氟龙衬里不锈钢高压釜中混合，混合物溶液立即转移到200°C的烘箱中。加热13 h后，将溶液冷却至室温，采用去离子水离心洗涤过程3次，提纯合成的明胶包衣Fe3O4基于ICP-AES分析的纳米团簇，收率高达90%。
我们使用pH计监测pH值的变化，发现FeCl的水pH值（3.8）2-柠檬酸盐-TMA-明胶前体在加入N后增加到8.82H4试剂。
明胶包衣铁3O4纳米团簇 （0.1 mL， 4000 ppm[铁]）与14 mg氨丙基膦酸，4 mgEDC和4 mgNHS在1 mL水溶液中反应，然后搅拌2 h。反应结束后，所制备的膦酸封端Fe3O4通过离心并用去离子水洗涤来收集纳米团簇。该纯化过程重复三次。膦酸封端Fe的产率3O4根据ICP-AES分析，纳米团簇可能高达90%。
32 毫升氯化钙2将水溶液（0.2 M）与400 mL柠檬酸三钠水溶液（10 mM）在23°C下100rpm搅拌混合，并将该混合物命名为溶液A。然后，将16mL草酸钠（0.05M）加入到溶液A中反应15分钟。使用5μm滤纸收集白色沉淀物。将滤纸上的产物用去离子水冲洗几次，然后在电子烤箱中干燥。在重量分析的基础上，过滤后COD晶体的收率高达70%。
通常，通过将10mg Ca基结晶粉末分散在10 mL H中制备Ca基溶液2O.四微升明胶包衣铁3O4然后将纳米团簇（4000 ppm）加入到1mL基于Ca的溶液中。混合 30 秒后，铁3O4–使用10 s的磁吸引和磁铁收集钙基晶体复合材料。除去上清液，并将收集的样品在超声处理浴下重新分散在水中20s。随后，我们将样品转移到石英基板上，将磁铁放在基板后面，然后在空气中干燥（5-8分钟）。采用配备632.8 nm风冷He-Ne激光器（17 mW）的拉曼光谱仪，使用50×物镜记录浓缩样品的正常振动信号。对每个样品的每个点测量使用10 s的曝光时间。
当膦酸终止的Fe时，使用相同的结合过程3O4使用纳米团簇收集相同浓度的Ca基晶体粉末，除了起始膦酸封端的Fe3O4纳米团簇的浓度为400 ppm。使用ICP-AES测量确定COD晶体的分离速率。
所有样本的采集均获批准，并遵循机构审查委员会台湾协会的程序。使用pH计分析尿石症患者的尿液样本，使用∼30 μL NaOH溶液（1 M）将碱性和酸性尿样的pH值分别调节至约10，使用∼30 μL乙酸溶液（1 M）调节至约3。随后施加超声波振动解离晶体上吸收的尿蛋白。然后，4μL膦酸封端的Fe3O4将纳米团簇（400ppm）直接加入到1mL获得的尿液溶液中，然后进行收集和浓缩过程。如上所述，在石英基板上对收集的样品进行致密涂层，然后进行拉曼光谱分析。
使用80 kV透射电子显微镜（JEM-2000EXII），300 kV的高分辨率TEM（JEOL 3010）和10 kV的场发射扫描电子显微镜（XL-40 FEG;飞利浦）。铁的吸收光谱3O4使用紫外可见分光光度计（8452A;惠普公司，加利福尼亚州帕洛阿尔托）。使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-AES，JY138光谱分析仪;Horiba Jobin Yvon， Inc.， Edison， NJ）。膦酸封端Fe的分离速率3O4分析了基于Ca基晶体的纳米团簇，并基于ICP-AES测量与原始Ca基晶体的浓度进行了比较。使用微量天平测定COD晶体制备的产率。铁的 zeta 势分析3O4使用Zetasizer分析仪（英国马尔文）对纳米团簇溶液进行表征。样品的拉曼光谱是使用50×物镜获得的，该光学镜使用配备632.8 nm风冷He-Ne激光器（17 mW）作为激发源的自制拉曼显微镜。利用薄膜X射线衍射仪（布鲁克AXS Gmbh，德国卡尔斯鲁厄）分析Fe的结晶3O4纳米团簇。测量了Fe在300 K下的M-H磁化曲线使用磁力计（MPMS-7 SQUID;Quantum Design， Inc.， San Diego， CA）。铁的X射线光电子能谱（XPS）（VG Scientific 210）3O4使用Mg Kα源（12 kV和10 mA）记录纳米团簇。结合能标度校准为284.6 eV，用于主（C ls）峰。
文献中的许多报道报告说，可以通过还原反应环境制备高纯度的磁铁矿结构，从而导致高磁化。12,25此外，铁的簇形式3O4纳米颗粒已被确定为能够增加磁性颗粒间相互作用。10,11灵感来自高磁化铁的成功制备3O4纳米颗粒，我们修改了先前亚微米和多域Fe的合成程序3O4粒子8,9并添加了一个 N2H4还原剂对FeCl的混合物2、NaOH–TMA 溶液、柠檬酸钠和明胶前体。预计水解的N2H4将形成 N2H5+和 OH−将加速铁降水的物种3O4核。26–28因为水解氮2H4在水中能消除氧原子，保护Fe2+从三价氧化铁沉淀物的产生，27,28在此样品制备之前，不需要进行脱气操作。29最后，我们建议将明胶聚合物封端Fe3O4纳米颗粒能够通过碳二亚胺化学反应过程进一步固定胺和羧酸盐衍生物。
TEM图像（图1a）显示团簇结构由几个Fe3O4纳米晶体（12-14 nm）和具有许多大孔腔的松散堆积结构。激光散射方法确定这些纳米团簇的相对流体动力学尺寸为∼200nm，这与TEM估计一致。得到的Fe3O4纳米团簇与我们之前的N不同2H4-自由合成，其中更大尺寸和更密集的Fe包装3O4生产了纳米结构。8,9图1b显示了HR-TEM图像，该图像显示了每个Fe的完整晶格3O4纳米晶体并显示出高度结晶的结构。铁的相应条纹3O4d间距为0.297 nm和0.412 nm的晶体结构可以分别索引为（220）和（200）平面。因此，出现的强反射峰被分配到Fe的反立方尖晶石相位3O4通过X射线衍射（XRD）测量的晶体结构（图1c）。对于高纯度磁铁矿，紫外-可见光谱表征了合成的强近红外吸收Fe3O4纳米团簇（图2S1， ESI†）.这种光学性质明显不同于黄色γ-Fe3O4的类似反尖晶石晶体结构晶体30这表明这些纳米晶的Fe3O4纳米团簇由非常纯净的磁铁矿组成。图1d显示，铁的XPS谱3O4纳米团簇主要由Fe组成2+和铁3+状态为 ∼710.5 eV，Fe 2p3/2核心级电子，与Fe的分配一致3O4结构。31根据O 1s区域的分配，将∼529.6 eV处的峰值分配给晶格O2−的铁3O4结构。Fe 表面存在 COOH、C
O 和 –OH 官能团3O4纳米团簇也在更高的结合能（∼532 eV）下测定。8,91580厘米处的峰值−1和 1425 厘米−1在FTIR光谱中（图。S2，ESI†）验证了R-COO的存在−覆盖在Fe表面的有机明胶，柠檬酸盐和TMA分子的基团3O4纳米团簇。
采用SQUID磁力法分析高结晶Fe的磁性能3O4纳米团簇。一百一十二鸸鹋 g[铁]−1饱和磁化率（Ms）测定明胶包被的Fe3O4根据300 K处的磁化-磁场（M-H）图绘制的纳米团簇（图1e）。M–H图中的陡坡和缺乏滞后环表明了明胶包覆的Fe的超顺磁性3O4纳米团簇由于组装了几个单粒子域。得到的Ms铁的值3O4纳米团簇与 ∼127 emu g 兼容[铁]−1块状磁铁矿，优于∼92 emu g[铁]−1的 N2H4–无明胶铁3O4颗粒（图。S3a，ESI†），它建议通过施加磁铁进行有效的磁分离以进行样品收集。
进行瞬态透射电镜和XRD测量，以了解FeFe3O4的形成机理纳米团簇（图2S4， ESI†）.在短时间内（2 h），获得了片状材料，伴随着小颗粒的产生。大多数纳米片在反应时间的4 h内消失，小颗粒变大。因此，铁的结晶3O4在XRD模式的基础上进行了改进。因此，我们提出片状材料具有较轻的对比度，并且由铁离子和形成复合物的有机配体组成。生长形成较大FeFe3O4的小颗粒是合理的定位于纳米片中的纳米晶体可能起源于铁 - 有机复合材料的分解。据观察，每个Fe3O4随着反应时间进展至6 h，纳米晶体接触非常紧密。这些小颗粒连接在反应延长至13小时时形成较大的团簇结构。
测量（图.S3b和c，ESI†）证明了Ms合成Fe3O4纳米产物检测为6.92 emu g−1在 2 小时， 8.33 鸸鹋 g−1在 4 h， 56.7 emu g−1在 6 小时和 98.2 emu g−1在8小时。相关Ms随着反应时间从4小时增加到8小时，数值线c， ESI†）.随着4 h时的反射峰与2 h时的反射峰变得更尖锐，然后随着反应进展到8 h而进化得更多，M的第一次增加s的Fe3O4团簇可归因于颗粒结晶的改善。32连续反应导致大Fe3O4纳米团簇，尺寸= ∼150 nm 在 8 小时和 ∼200 nm 在 13 小时。结果，M进一步增加s从8 h到13 h的值将与Fe中单个纳米颗粒的强耦合有关3O4聚类结构。10,11
基于上述结果，建议Fe3O4通过偶极子-偶极子吸引力和/或通过定向附着的胶体碰撞，通过粒子间相互作用的增加，实现了形成团簇结构的NPs。由于磁畴之间距离的缩短，这种聚类结构可能有助于局部磁耦合相互作用。在没有明胶聚合物的情况下合成不影响Fe的形成3O4聚类纳米结构（图2S5，ESI†），尺寸为 ∼195 nm断续器，表明明胶分子只在颗粒表面被吸收。
接下来，我们研究了用明胶包覆的Fe对COD微晶的磁分离3O4在分析临床标本之前，在水溶液中加入纳米团簇。固体铁3O4–COD产品可以通过磁分离从溶液中拉出。图1f显示了铁的SEM图像3O4纳米团簇装饰在COD微晶的表面上。铁3O4纳米团簇在COD微晶上是分离且均匀的。注意锚固铁的直径3O4发现纳米团簇的范围从∼100 nm到∼300 nm，这与DLS估计确定的平均尺寸（∼200 nm）一致。同样，相应的TEM图像显示几个Fe3O4附着在Ca基晶体表面的纳米团簇（图1S6，ESI†）。相反，在Si晶圆上干燥的相同样品浓度仅得到凝聚的颗粒聚集体而没有单独分布（图1。S7，ESI†）。Zeta电位分析表明，铁的带电表面为−2–4 mV（接近零）3O4pH = 6.4时的纳米团簇具有三种独立的合成产物。因此，Fe的涂层结果存在差异3O4COD晶体表面的纳米团簇（图1S8a、ESI†）和硅晶圆（图2S7，ESI†）不能简单地归因于材料表面之间的静电相互作用。我们提出明胶结构中丰富的羧酸盐，胺和羟基赋予与Ca键合的强烈亲和力2+Ca基晶体表面的离子。令人惊讶的是，除了COD吸收外，铁3O4纳米团簇可以粘附在不同类型的尿液相关晶体上，例如基于Ca的晶体（COD，COM和HAP; 图。S8a，S9a和S10a分别是ESI†）和其他泌尿晶体（图。S11， ESI†）.
为了促进Ca基晶体的选择性吸附，我们进一步将3-氨基丙基膦酸修饰到Fe3O4表面的羧酸盐基团上。Fe3O4通过EDC / NHS连锁方法的纳米团簇。用于定义Fe和P元素的表面分析基于XPS光谱。图2显示了Fe 2p的结果2/3和铁 2p1/2峰值分别为 ∼710.5 eV 和 ∼723.9 eV。游离膦酸通常出现在132和133 eV之间。33P 2p的核心能级谱中不存在定位于130 eV以下的显著条带表明膦酸在Fe上的化学键3O4颗粒被阻止。34基于XPS分析，提出3-氨基丙基膦酸与羧酸端基在明胶包覆Fe3O4纳米团簇导致游离膦酸暴露在水环境中。元素测量表明，3-氨基丙基膦酸在Fe3O4处的P/Fe比值为∼0.19。Fe3O4纳米团簇表面。为了验证明胶涂层获得的表面化学优势，一项平行实验使用了无明胶Fe。3O4纳米团簇，并在通过EDC / NHS键与3-氨基丙基膦酸进行相同修饰后，导致颗粒表面缺少磷酸终止基团（图2b）。
图2明胶包覆的Fe的XPS核心级光谱（a）Fe 2p和（b）P 2p3O4用3-氨基丙基膦酸修饰后的纳米团簇。无明胶Fe的修饰3O4纳米团簇如（b）所示。
接下来，我们单独孵育相同浓度的明胶包被的Fe3O4纳米团簇和膦酸封端的Fe3O4含Ca的纳米团簇2+离子过夜。铁的两种配合物Fe3O4–钙2+使用外部磁场分离溶液中的样品，然后进行电感耦合等离子体原子发射光谱（ICP-AES）。吸收钙的量2+膦酸封端Fe表面的离子3O4纳米团簇的Ca/Fe质量比为0.04，即24.4μg[钙]每毫克[铁]，其中它比Ca的量大5倍2+离子积聚在明胶包被的Fe的表面Fe3O4纳米团簇。此结果验证了 Ca 的有效选择性结合亲和力2+离子。相比之下，我们发现致密的膦酸终止的Fe3O4纳米团簇（使用 800 ppm[铁]）积聚在COD晶体表面（1毫克mL）−1） 在与明胶包覆的 Fe 相同的分离时间内3O4纳米团簇 （4000 ppm） （图.S8，ESI†）。高达95%的COD晶体可以通过使用膦酸封端的FeFe3O4基于ICP-AES分析的纳米团簇。
成像分析对于COD晶体上的颗粒密度测量是合理的。根据立方体形Fe的几何结构3O4纳米团簇和四方双锥形COD颗粒各域中的NPs，∼5.8×106铁3O4通过使用膦酸封端的Fe估计每个COD晶体的NPs3O4使用Matlab软件的纳米团簇（图2S12，ESI†）。使用相同的模拟方法，确定明胶包覆Fe的覆盖率小于2倍3O4纳米团簇保留在COD晶体的表面上。请注意，4000 ppm[铁]当明胶包覆Fe时，用于这项工作3O4实现了纳米团簇。为了准确评估分离量，对分离的铁进行ICP-AES测量3O4–进行了COD晶体。粗略估计给出约3.44×106膦酸封端的Fe3O4基于Fe/Ca质量比（∼4）锚定在单个COD晶体上的NPs，这与使用成像模拟方法获得的值相似。由明胶包覆的Fe获得的Fe与Ca的平均质量比3O4纳米团簇为∼1.7，小于使用膦酸封端的Fe获得的质量比3O4纳米团簇。类似地，膦酸封端的Fe3O4纳米团簇更多地锚定在COM和HAP晶体的表面上（图，S9和S10，ESI†）。
在使用纳米生物光子集成系统追踪晶体之前，我们进行了正常的拉曼光谱分析，以鉴定标准粉末的几种尿晶体（如图3所示）。定制的拉曼光谱系统如图1所示。S13 （ESI†）.晶体类型很容易根据它们在振动光谱中的指纹分配来识别。虽然通过X射线反射光谱测量晶体结构，7透射电子显微镜和偏光显微镜被广泛用于鉴定结石类型，样品必须反复经历纯化过程以收集所需的至少几十mg的沉淀物。此外，使用定制的X射线反射光谱仪和带电子衍射的TEM进行分析需要几十分钟到几小时的时间，而拉曼光谱所需的采集时间为1-10秒。
应用膦酸封端的d Fe3O4纳米团簇靶向晶体，4 μL样品颗粒（800 ppm[铁]）加入到10 mg/10 mL标准钙基粉末（即COD、COM和HAP）溶液中。孵育10秒后，钙粉-Fe3O4使用磁铁收集纳米团簇。无花果。S14 （ESI†） 显示铁的拉曼光谱3O4–鳕鱼，铁3O4–COM 和铁3O4–HAP.Fe3O4固定化的Ca基粉末不会干扰正常的拉曼峰，并且与其相应的标准晶体一致（图3中的曲线a-c）。除Ca基晶体外，拉曼光谱还结合了膦酸封端的Fe3O4纳米团簇表现出一种有效的分离平台来确定其他鸟粪石晶体（图1S15，ESI†）。事实上，我们的纳米生物光子集成系统是一种有前途的直接和简单的分离方法，用于快速预浓缩和鉴定基于Ca / Mg的尿液晶体的晶体类型。
最后，我们采用了膦酸终止的Fe。3O4纳米团簇用于评估手术前35名具有不同尿结石成分的患者尿液样本（早上第一个样本）中尿晶的靶向和分离。分析过程如方案1b所示。术后收集的尿路结石进行FT-IR光谱分析，以确认尿路结石的结构类型，并使用我们的纳米生物光子集成系统比较尿晶鉴定。利用磁力浓度，从35例患者的尿液中收集尿液晶体。这些晶体被浓缩在一起（图4b），与使用离心法（图4a）收集的晶体形成鲜明对比，以便通过光学显微镜轻松观察。与物理离心方法和在空气中干燥后在载玻片上随机分布尿晶体相比，磁力收集是优秀而有效的。由于铁的涂层Fe3O4纳米团簇中，Ca基晶体的表面在外围显示出深色图像。使用EDS测量（图4c和图中的放大图片。S16，ESI†），Ca和Fe元素被直接证明形成固体复合物，其中Na，S，Cl和K信号是可追溯的，因为复合物质在人类代谢物中的吸收。在大多数临床病例中，除了尿晶体外，排泄物还含有离子，蛋白质，细胞和细菌。我们的膦酸封端铁3O4纳米团簇强烈分离尿液中的尿晶体。
图 4具有（a）物理收集和（b）具有膦酸封端Fe的磁性收集的尿晶体的明场图像3O4纳米团簇。（c） 膦酸封端Fe的EDS测量3O4纳米团簇 -尿晶体。
以Ca基晶体为例，使用膦酸封端Fe时的信背景比Fe3O4纳米团簇（图5b）比传统的离心处理（图5a）得到改进。特别是，我们开发的纳米生物光子集成系统能够增强700厘米以下的几个峰。−1在COD和COM晶体中，从而提高了诊断的准确性。表2总结了通过拉曼光谱鉴定35个临床尿石症标本的情况。每个病例都用一个时间和点测量来记录。只有两例病例错过了35名患者的分配，并被标记为NA，这意味着无法确定显着的峰值。通过FT-IR分析，9个结果与他们的结石类型匹配良好：6名COD结石患者和3名HAP结石患者。以前的报告发现，HAP晶体具有各种形状，具体取决于pH条件35因此很难用显微镜测定。有趣的是，非Ca基晶体也可以在这个开发的纳米生物光子分析系统中捕获，这可能是由于鸟粪石的化学结合过程相似以及有机晶体的物理吸收相互作用。
图 5（a）离心处理后的临床尿液标本（COD，COM，HAP晶体）和（b）用膦酸终止Fe分离后的临床尿液标本的拉曼光谱3O4纳米团簇（COD，COM，HAP晶体）。
我们的系统还能够从多组分COM-COD，COM-HAP，COM-尿酸和COM-COD-HAP结石复合材料患者中收集和鉴定不同类型的尿液晶体，但在我们的测量中获得相对较低的准确性（表2）。我们认为，数据丢失是由于人类排泄物中的复杂复合材料，例如，多组分尿石症患者的尿液溶液中存在越来越小的晶体。统计分析在拉曼光谱中鉴定出尿路晶体，在高达86%的病例中，这些晶体与手术产生的相应结石相匹配（见表2和计算方法）。这一结果表明，一种新的非侵入性方法来检测和识别尿液中的晶体，不仅可以预测尿石症的类型，还可以快速跟踪结石残留和复发。
应该注意的是，这35个数据点是基于每种情况下对一个晶体的单时间和单点测量来记录的。我们相信，通过对每组进行多点检测，可以改善宝石的分配，从而在混合复合材料中实现更准确的测量。值得注意的是，博尔吉等人。3和卢等人。5发现尿石症患者结石成分与尿晶代谢物之间具有高度相关性。对于尿石症患者，识别尿路结石的类型将有助于确定药物医治。由于尿晶体的长期积累，接受输尿管镜碎石术的患者的结石复发率较高。干预后尿石症的复发率超过50%，因为难以完全去除结石以及普通饮食习惯和环境/病因因素对结石再生的影响。36在这方面，对从尿液排泄物检查中取出的尿液晶体进行理想的鉴定分析将有助于医生评估疾病。首先通过使用表面工程Fe报告了快速有效的晶体代谢物分析方法的发展3O4纳米团簇作为示踪剂，与拉曼光谱相结合识别尿晶体，用于检测和鉴定（方案1）。
我们成功合成了明胶包衣的Fe3O4纳米团簇采用一锅水热反应。铁的表面3O4对纳米团簇进行修饰以暴露膦酸封端基团以用作尿晶体的示踪剂。我们的演示表明，明胶官能化和膦酸封端的Fe3O4纳米团簇通过施加磁铁实现了尿晶体的简化分离和预浓缩，而使用膦酸封端的Fe3O4实现了对Ca基晶体的最佳灵敏度团簇。结合拉曼光谱仪，在实验室中开发了具有纳米生物光子集成平台的非侵入性检测，并被证明具有分析临床样品的潜力，从而在短时间内（少于10分钟）鉴定出尿晶体类型的单型和多型晶体，如方案1所示。由于钙基晶体占尿石症中尿晶体的85%以上，因此我们提出高度磁化和膦酸封端的Fe3O4纳米团簇有望识别大多数尿液晶体。我们相信，我们开发的纳米生物光子综合分析方法能够在一定程度上帮助医生预测结石成分，便于在未来找到精确的疾病原因和术前和术后药物治疗的方向。