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非标记表面增强拉曼光谱在dna检测中的应用

来源:个人技术集锦
第29卷第1期2020年2月

激 光 生 物 学 报

ACTA LASER BIOLOGY SINICA

Vol.29No.1Feb.2020

非标记表面增强拉曼光谱在DNA检测中的应用

吴 琼1ꎬ林慧晶1ꎬ徐两蒲2ꎬ孙 艳2ꎬ林 多1ꎬ陈冠楠1∗

(1.医学光电科学与技术教育部重点实验室ꎬ福建省光子技术重点实验室ꎬ福建师范大学光电与信息工程学院ꎬ福州350007ꎻ2.福建省妇幼保健院ꎬ福州350001)

摘 要:表面增强拉曼光谱(SERS)是一种超灵敏的生化分析技术ꎬ已经被广泛运用于细胞、核酸、蛋白质等生

物分子的检测ꎬ在生物医学领域表现出了巨大的应用潜力ꎮ近年来ꎬ将表面增强拉曼光谱技术应用于遗传物质DNA的精准检测ꎬ引起了人们广泛的关注ꎮ本文简要叙述了表面增强拉曼光谱技术的基本原理及其在DNA检DNA ̄SERS技术有望成为一种快速、准确的临床诊断方式ꎮ

测中的优势ꎬ主要介绍了非标记的DNA ̄SERS检测应用进展ꎬ其中包括本项目组的相关工作ꎮ研究表明ꎬ非标记

关键词:表面增强拉曼光谱ꎻ非标记ꎻDNA检测ꎻ进展中图分类号:Q631

文献标志码:A

DOI:10.3969/j.issn.1007 ̄7146.2020.01.005

ApplicationofLabel ̄freeSurfaceEnhancedRaman

SpectroscopyinDNADetection

WUQiong1ꎬLINHuijing1ꎬXULiangpu2ꎬSUNYan2ꎬLINDuo1ꎬCHENGuannan1∗

(1.KeyLaboratoryofOptoelectronicScienceandTechnologyforMedicineofMinistryofEducationꎬFujianProvincialKey

LaboratoryforPhotonicsTechnologyꎬCollegeofPhotonicandElectronicEngineeringꎬFujianNormalUniversityꎬFuzhou350007ꎬChinaꎻ2.ChildHealthHospitalofFujianMedicalUniversityꎬFuzhou350001ꎬChina)

Abstract:SurfaceenhancedRamanscattering(SERS)ꎬanultra ̄sensitivebiochemicalanalyticaltechnologyꎬhasbeen

widelyusedforthedetectionofbiomoleculesꎬsuchascellꎬnucleicacidꎬproteinꎬshowinggreatpotentialinthefieldoftentions.ThisreviewbrieflyintroducesthebasicprincipleofSERSanditsadvantagesinDNAdetection.Itmainlyintro ̄SERStechnologyisexpectedtobecomeafastandaccurateclinicaldiagnosisapproach.

biomedicalapplication.InrecentyearsꎬtheapplicationofSERSinaccuratedetectionforDNAhasattractedextensiveat ̄

duceslabel ̄freeDNA ̄SERSdetectionꎬincludingtherelatedworkofourgroup.Studieshaveshownthatlabel ̄freeDNA ̄

Keywords:SERSꎻlabel ̄freeꎻDNAdetectionꎻadvances

  DNA作为遗传物质的载体ꎬ携带了丰富的人体DNA在疾病诊断治疗、刑侦学及法医学等领域都扮

信息ꎬ是一种非常重要的生物分子ꎮ大量研究发现ꎬ

演了十分重要的角色[1 ̄4]ꎮ医生通过DNA的检测ꎬ可获取大量的人体健康状况信息ꎬ为临床诊断(特别是癌症诊断)的治疗方案确定及预后等ꎬ提供有效的

收稿日期:2019 ̄07 ̄13ꎻ修回日期:2019 ̄09 ̄16ꎮ

基金项目:国家自然科学基金项目(81741008ꎬU1605253)ꎻ福建省自然科学基金项目(2017J01499ꎬ2019J01272)ꎻ福

建省高校杰出青年科研人才培育计划项目(JA15233)ꎻ中央引导地方科技发展专项项目(2017L3009)ꎮ

作者简介:吴琼ꎬ博士研究生ꎮ

∗通讯作者:陈冠楠ꎬ教授ꎬ主要研究生物医学信号获取及处理ꎮE ̄mail:edado@fjnu.edu.cnꎮ

第1期            吴 琼等:非标记表面增强拉曼光谱在DNA检测中的应用   

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判断依据ꎮ目前ꎬDNA检测方法主要包括聚合酶链反应和微阵列技术ꎬ但此类方法通常需要荧光标记、存在成本较高、程序和检测流程复杂、DNA分子内在信息极易丢失、样品无法重复利用等缺点[5]ꎮ

1928年ꎬ印度科学家Raman等[6]发现拉曼散射

检测方法ꎮ目前ꎬDNA ̄SERS检测主要有两种方式ꎬ一种方法是使用标签分子修饰DNAꎬ来实现检测目标DNA的目的ꎮ另一种是无需加入标记分子ꎬ进行非标记的DNA快速检测ꎮ本文主要介绍了非标记DNA ̄SERS检测技术的发展进程及本课题组的初步研究进展ꎮ

效应ꎬ证明该现象产生的频率变化ꎬ均取决于散射物体自身的特性ꎬ可以产生具有“指纹”特性的拉曼光谱ꎮ在此基础上ꎬ拉曼光谱技术已经能够获得许多生物大分子的结构信息ꎬ例如:脂肪、DNA、蛋白质、1 标记DNA ̄SERS检测

标记法是将目标分子通过吸附、杂交等作用ꎬ与核糖、脱氧核糖、各种碳水化合物、染色体病毒等[7]拉曼光谱以其精细的分辨能力、所需样品量少等优ꎮ点ꎬ在医学领域得到迅速的发展ꎬ国内外学者更是将该技术运用于检测人体各个部位[8 ̄17]光谱技术仍存在一些无法克服的短板ꎮꎮ由于拉曼散但是ꎬ拉曼射的截面仅有10 ̄30信号和极高生物分子的荧光信号~10 ̄25cm ̄1ꎬ造成了极弱拉曼散射ꎮ因此ꎬ拉曼光信号常常淹没在噪声中ꎬ使得拉曼光谱技术在生物医学领域的发展大大受限[18]chman等[19]在电化学试验中发现了表面增强拉曼散ꎮ直到1974年ꎬFleis ̄

射现象ꎬ拉曼信号得到了大大的增强ꎬ这种局面才有了转机ꎮ

表面增强拉曼光谱(surfaceenhancedRamanscat ̄teringꎬSERS)金属表面ꎬ拉曼散射信号可以得到极大增强的现象是指分子吸附在具有纳米级粗糙度的ꎮSERS面等离激元共振增强机理主要来自[20 ̄21]、尖端避雷针效应:1)电磁场增强包括表、镜像场增强ꎻ2)化学增强主要包括金属 ̄分子间电荷转移、表面络合物表面活性位ꎮ研究表明ꎬ电磁场增强的贡献远大于化学增强ꎬ而电磁场增强主要来自于表面等离子体共振(surfaceplasmonresonanceꎬSPR)ꎬ即金属中的自由电子在光电场下集体发生了振荡效应ꎮSERS的出现ꎬ克服了常规拉曼的固有缺陷ꎬ极大拓展了拉曼光谱的应用ꎮ近40年来ꎬ科学家进一步研究表明吸附在或者非常接近特定粗糙金属(例如:金、银、铜)表面的待测物质的拉曼信号会被大大提高(约为1013~1015倍)ꎬ并且能够抑制荧光的产生ꎬ使表面拉曼增强光谱技术成为一种十分有潜力的检测方式[22 ̄24]随着光学检测技术的发展ꎮ

ꎬ人们发现SERS技术有希望克服当前DNA检测存在的缺陷[1]究人员致力将表面增强拉曼光谱技术应ꎮ用因此于DNA

ꎬ研检测ꎬ力求发展一种快速、无损、简便、检测限度低的

有一定强度且易分辨的拉曼标记物相连ꎬ后通过检测拉曼标记分子ꎬ间接达到检测目标分子的目的ꎮSERS修饰生物分子的一些物质标记分子能够产生强烈的ꎮ这种标记物常以金或银SERS信号ꎬ并易于纳米颗粒为增强基底ꎬ同时利用可产生SERS信号的染料分子在纳米粒子表面修饰ꎮ2009年ꎬMacAskill等[25]已经证明了一种新的SERS检测方法ꎬ该方法是将与目标DNA结合力更强、且用染料标记的探针与目标DNA杂交后ꎬ致使探针SERS信号降低ꎬ以此证明待测物中有目标DNA的存在ꎮ与未修饰的标记DNA探针相比ꎬ该方法实现了精确匹配和错配间的更大区分ꎮMhairi等[26]将TaqMan检测技术与SERS并且ꎬ技术相结合为了证明该检测方式可用于临床ꎬ形成一种全新的DNAꎬ该研究小组检测方式ꎮ利用这项技术检测基因组MRSA株内的mecA基因ꎬ并将金黄色葡萄球菌株作为对照试验ꎮ试验证明ꎬ这种新的检测方法可用于生物检测ꎮ同时ꎬ该小组通过银纳米颗粒静电相互作用的差异ꎬ证明了几种标记DNA染料亲和力的差异ꎮ结果表明ꎬ单链DNA、明显差异双链ꎬ并证明表面引力是由于核苷酸的静电电DNA和游离染料标签的SERS强度存在荷引起ꎬ而非来自SERS染料的亲和力ꎮ该试验进一步证明ꎬ通过对试验条件和序列组成的优化ꎬ可以在较低的DNA浓度下实现高精度的DNA序列检测[27]ꎮ2014年ꎬTara[28]研究小组首次报道了功能化银纳米粒子和镀银磁性纳米粒子组合成“三明治”模型ꎬ并在稳定夹层中进行DNA检测ꎬ能同时识别多种目标分子ꎮ这种方法将目标识别与磁性捕获相结合ꎬ实现了样品低浓度检测ꎬ有极高的灵敏度ꎮ2017年Su[29]小组研究出了多色金银纳米蘑菇ꎬ是一种即用型SERS探针ꎬ可用于超敏感和多路DNA/miRNA检测ꎮ其特点是制备过程简便ꎬ易于合成ꎬ无需进一步的生物功能化ꎬ为实现多指标同时检测的生化诊

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断和细胞成像创造了极大的可能ꎮ2018年ꎬPala等[30]介绍了12种用于SERS ̄DNA检测的新型寡核苷酸功能化纳米粒子ꎬ研究表明12种染料可以独立表达出特异信号ꎬ为实现多重复路检测奠定了基础ꎮchainreaction)扩增技术与DNA检测技术结合ꎬ研发出了新的检测方法ꎮ在2016年ꎬEugene等[31]对循环肿瘤DNA(ctDNA)进行研究ꎬ他们利用了标准PCR的灵敏度优势与SERS技术的多路复用特点ꎬ检近年来ꎬ有许多研究学者将PCR(polymerase

第29卷

现象ꎬ被用于分子信标杂交的无标记检测ꎮ研究表明ꎬ利用DNA碱基中的固有信号ꎬ进行无标记SERS2015年ꎬMarks等[36]设计了一个利用功能性纳米粒子检测小型血液生物标记物的SERS检测平台ꎮ试验中适当调整纳米探针的参数ꎬ则能实现灵敏度、范围、重现性、颗粒稳定性以及与生物识别分析的整体控制ꎮ总的来说ꎬ这是一种可控的SERS分析平台ꎬ用适配体连接SERS活性纳米粒子ꎬ组装检测小的毒检测ꎬ在生物诊断中具有巨大的潜在应用价值ꎮ

测出重要的黑色素瘤突变ꎬ并采用该方式测定了血清样品中的基因型细胞系和ctDNAꎬ证实了此法的可行性ꎮ2018年ꎬ李小舟[32]小组将含有目标突变基因的DNADNA直肠癌患者的基因突变率链ꎬ再运用进行扩增SERSꎬ用荧光标签标记互补序列上的技术进行检测分析ꎬ并与临床检测所得的结ꎬ获得了结果一致ꎮ

2 2.1 非标记DNA ̄SERS检测

为了获取表面增强拉曼光谱国内外研究进展

ꎬ必须要使分析物

靠近或吸附在贵金属表面ꎮ使用非标记SERS技术检测ꎬ常需挑选一个适当的增强基底ꎬ获得DNA碱基的SERS信号[33]性的拉曼标记物ꎬ不会对待测ꎮ其优势在于DNA:不需要引入外源的原生信号产生干扰ꎮ

早在2006年ꎬBell和Narayana[33]已经尝试利用表面增强拉曼技术对低浓度无标记单核苷酸进行检测ꎬ获取DNA分子与不同银胶作用后的光谱ꎬ并对结果进行统计分析ꎮ2008年ꎬAoune等[1]报道了如何成功获得高质量的单链和双链DNA ̄SERS光谱ꎮ这种方法是将纳米金壳SERS基底与DNA结合ꎬ使重现性得到了显著的提高ꎮ这是单链DNA的热解和双链DNA杂交所带来的高规律性和高控制性的电磁增强ꎮ而后ꎬ该小组又提出了一种基于表面增强拉曼光谱的简单、无标记的DNA杂交检测方法[34]人工合成的ꎮ试验证明2 ̄APꎬ碱基将探针ꎬ仍然可以检测到腺嘌呤互补DNA序列中的腺嘌呤换成

碱基的DNAꎮDNA2011SERS序列和金纳米颗粒表面年信号ꎬPapadopoulouꎬ实现定量检测含有腺嘌呤的目标和ꎬBell[35]接此时DNAꎬ通过硫醇连站立在纳米颗粒表面ꎬ使得腺嘌呤的SERS信号得到优先增强ꎮ之后ꎬ利用碱基的非特异性结合使DNA重新定位ꎬ可降低这种效应ꎮ这种重定向导致强度改变的素分子ꎮ同年ꎬSun等[37]构建了一种新型的纳米通道传感平台ꎬ该装置简单易行ꎬ可在受限的三维纳米空间实Xu等现无标记、超灵敏、高特异性的DNA检测ꎮ[4]利用碘化钾修饰Ag纳米基底ꎬ并在接近人体生理条件的环境中ꎬ获取了单链和双链核苷酸的高重现性的SERS信号ꎮ值得注意的是ꎬ碘化层不仅能够清除Ag纳米粒子表面的杂质ꎬ还能防止Ag纳米粒子表面与DNA直接发生相互作用ꎬ确保获得高重现性的信号ꎮ并且ꎬ该工作证明MgSODNA更有效地吸附ꎬ能够使AgIMNPs4能使带负电荷的产生聚集ꎬ产生较强的SERS信号ꎮ他们认为可以将磷酸骨架作为内部标记ꎬ从而使得寡核苷酸的SERS光谱标准化ꎬ以除去外部因素对光谱的影响ꎮ2018年ꎬHan小组[38]将表面增强拉曼光谱技术与微流控技术结合ꎬ研发了一种基于银纳米颗粒(AgNPs)和氧化石墨烯(GO)简便的激光刻划的生物芯片ꎬ该芯片可重复用于DNA检测ꎮAgNPs@GO复合膜的可编程激光刻划芯片ꎬ通过将复合材料剥离成分层多孔结构ꎬ使由石墨烯支撑的AgNPs组成的灵敏SERS通道直接形成所需图案ꎮDNA和石墨烯之间的非共价相互作用介导了DNA序列可控的捕获和释放ꎬ由此ꎬ在该生物芯片上可重复进行SERS检测ꎬ有望对遗传疾病诊断提供帮助ꎮ2019年ꎬLi等[39]开发了一种新的非标记DNA检测方法ꎬ可实现定量检测单链DNAꎮ他们引入一种新的界面剂二氯甲烷ꎬ并将其作为内标分子ꎬ实现了对不同链长单链DNA的高灵敏检测ꎬ并且突破了双链DNA的检测局限ꎮ此外ꎬ该方法已被证明能够识别具有单碱基变化的长链DNA中的基因突变ꎬ在快速遗传分析方面具有很大的临床诊断潜力2.2 ꎮ

福建师范大学项目组将本课题组研究进展

DNA ̄SERS检测用于鼻

咽癌的早期诊断ꎬ并对采集的数据进行多元统计分析ꎬ早期鼻咽癌、晚期鼻咽癌、正常鼻咽组织DNA的

第1期            吴 琼等:非标记表面增强拉曼光谱在DNA检测中的应用   

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诊断准确率分别为87.9%ꎬ86.8%和92.3%ꎮ该项探索性研究证明了可将SERS测试利用于组织中提取的DNAꎬ此方法有潜力成为鼻咽癌早期筛查的一种新的方式[40]ꎮ本课题组的刘秀杰等[41]发明了一种DNA链作为信号开关检测重金属离子的方法:利用银镜反应制作的玻片作为表面增强拉曼散射(SERS)检测的基底ꎬ再通过硫醇键将用Cy5标记的DNA链连接在还原有银膜的基底上ꎬ用DNA链作为拉曼信号的开关ꎬ以此来间接表明待测介质中是否金属检测的基底ꎬ使得SERS增强效果和检测的灵敏度得到了大大的提升ꎬ并且具有极好的重复性ꎮ林多等[42]利用金属羰基化合物的光谱特性ꎬ设计了一种基于表面增强拉曼光谱技术的比率检测试验对鼻咽癌患者血液中游离态的EB病毒DNA进行检测ꎮ试验中主要利用铼羰基化合物(Re ̄CO)作为DNA探针ꎬ另外一种锇羰基化合物(Os ̄CO)则被镶嵌于存在重金属离子汞(Hg2+)ꎮ通过镀银的玻片做为重

SERS基底中作为DNA检测内标ꎬ最后在基底表面修饰上链霉亲和素ꎬ用来捕获带有生物素的游离态目标DNAꎮ由于这两种羰基化合物的拉曼信号都处于生物分子的指纹区外(静默区)ꎬ不会受其他生物分子影响ꎬ因此该文章提出的方法有望对血液中的游离DNA进行准确的定量检测ꎮ之后ꎬ他们利用光谱信号处于1800~2200cm ̄1的羰基化合物(Os ̄SCO此外ꎬ还将SERS探针(Re ̄SCO)装备在包裹有介孔硅的纳米棒材料中ꎬ在光的刺激下可将该探针大量释放到SERS基底上获得其拉曼信号ꎬ由此实现SERS信号的二次放大ꎮ研究表明ꎬ利用该技术能对DNA实现可靠以及超灵敏的检测ꎬ这对于发展基于SERS的液体活检技术具有重要意义[43]ꎮ

基于以上的文献探索ꎬ本课题组也对单链DNA

和Re ̄SCO)作为SERS探针ꎬ实现低浓度DNA检测ꎮ

检测展开了试验研究ꎬ试验流程如图1所示ꎮ

图1 单链DNA检测流程图

Fig.1 Schematicforsingle ̄strandDNAdetection

表1 DNA表面增强拉曼光谱峰位归属[1ꎬ4ꎬ31 ̄33ꎬ38]Tab.1Thepeakpositionsandtentativeassignmentof

majorvibrationalbandsinDNA

683735792

Ramanbands(cm ̄1)AssignmentsaG

Aꎬringbreathing

10921222

图2 SERS光谱图Fig.2 SERSspectra

(a)纯银胶的拉曼背景信号ꎻ(b)单链DNA的SERS光谱

(a)Thebackgroundsignalofpuresilvercolloidꎻ

(b)SERSspectrumofsingle ̄strandDNA

CꎬTꎬPO2 ̄ꎬskeletonstretchingPO2 ̄ꎬsymmetricstretchingA

CH2ꎬdeformationAꎬGTꎬC

AꎬCꎬorTꎬringstretching

1326145915551629

注:A:腺嘌呤ꎻT:胸腺嘧啶ꎻG:鸟嘌呤ꎻC:胞嘧啶Note:A:AenineꎻT:TymineꎻG:GanineꎻC:Ctosine

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  本试验获得了单链DNA的表面增强拉曼光谱ꎬ图2中b曲线为单链DNA的SERS光谱ꎬ图2中a曲线为银胶的背景信号ꎮ值得注意的是ꎬ在单链DNA1222、1326、1459、1555以及1629cm ̄1拉曼谱峰(图2中b曲线)ꎮ如表1所示ꎬ有很多试验证明这些谱峰可以归属于磷酸骨架(PO)、腺嘌呤、鸟嘌

2 ̄

第29卷

的SERS光谱图中可以观察到683、735、792、1092、

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呤、胞嘧啶及胸腺嘧啶[1ꎬ4ꎬ33 ̄35ꎬ40]ꎮ在今后的研究里ꎬ我们希望可以利用SERS技术对DNA分子中的生化[8] DINGHꎬDUPONTAWꎬSINGHALSꎬetal.Effectofphysio ̄

logicalfactorsonthebiochemicalpropertiesofcolontissue ̄aninvivoRamanspectroscopystudy[J].JournalofRamanSpectros ̄成分组成及数量差异进行进一步的探索ꎮ

3 总结与展望

本文简单介绍了国内外研究者对DNA检测的研究ꎬ特别是非标记DNA检测ꎮSERS的主要优点:一是能够用最少生物样品进行检测ꎬ其灵敏度甚至可以达到10 ̄15重复路检测ꎬmol同时对多个目标物进行分析/Lꎻ二是利用SERS技术可以实现多ꎬ有利于疾病的诊断和预后ꎮSERS技术的优势恰恰克服了当下临床诊断方法的一些不足ꎬ目前ꎬ该技术已被应用于真实的临床样本ꎮ大量的科研人员致力于发展一种简单、快速的DNA检测技术ꎬ希望能够通过SERS技术获得DNA中的碱基排列顺序、碱基突变序列等ꎬ从而探索更丰富、更深层的遗传信息ꎮ

综上所述ꎬSERS技术在DNA检测方面表现出了巨大的应用潜力ꎮ虽然ꎬ在目前的技术水平和试验条件下ꎬSERS光谱无法确切表达出DNA序列中碱基的特定顺序ꎬ但采用标记的SERS检测技术ꎬ已经实现了对DNA高灵敏度、高特异性的定性甚至定量检测ꎮ而非标记DNA ̄SERS检测技术ꎬ也以其简便、快捷、无损等优势ꎬ成为时下的研究热点ꎬ有很大的发展潜力ꎮ相信在不久的将来ꎬ非标记DNA ̄SERS检测技术能够发展为一种快速、准确的疾病基因诊断新方法ꎮ

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(86):HANagnps@[J].BꎬSensorsrgoZHANGbiochipandYActuatorsasLꎬaZHUreusableB:ChemicalꎬLꎬetsersal.sensorDirect2018ꎬforlaserDNA(270)scribingdetection:500 ̄of

[39] 507.

LIfreediscriminationYꎬGAOTYꎬXUGTꎬetal.Directapproachtowardlabel ̄

lehelixesDNA[detectionJ].ofAnalyticalasingle ̄basebysurface ̄enhancedChemistryꎬmutation2019ꎬinRaman50base ̄paired91(13spectroscopy:):7980 ̄doub ̄[40] 7984.QIUgealenhancedSꎬ[41] icalLUOpticsꎬcarcinomaLIRamanCꎬLIN2016ꎬbasedspectroscopyJꎬ21(12)onetaltissue.Early:analysisdeoxyribosediscrimination[J].nucleicJournalofacidnasopharyn ̄

ofBiomed ̄surface ̄toDNA[J].quantitativeYLꎬSensorsaptamer ̄modifiedJIEZꎬ&andYAOGActuatorsselectiveHꎬSiOBdetectionet125003 ̄125006.al.Alabel ̄freeSERS2Chemicalꎬ@Auofcoremercury2018ꎬ/shell((nanoparticlesII)approach

258based):365 ̄on[42] 372.LINbiointerference ̄freetroscopy ̄basedDꎬGONGTXꎬHONGZYꎬetal.Metalbarrvirusinbloodassayratiometricfor[J].cell ̄freeAnalyticalsurface ̄enhancedcirculatingChemistryꎬDNAcarbonylsRamanofepstein ̄forspec ̄the

[43] (12)LINnanosensorlatedDꎬ:7139 ̄7147.2018ꎬ90GONG1548 ̄1551.

DNA[basedJ].TChemicalXꎬonSERSQIUStechnologyCommunicationsꎬFꎬetal.Dualfordetectionsignal2018ꎬamplification

of55tumor ̄re ̄(11):[27][28][29][30][31][32][33]

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