供稿：張雨晴

編輯：Chen

導(dǎo)讀：近日，上海交通大學葉堅教授團隊開發(fā)了一種新型拉曼探針（P-GERTs），尺寸僅為70nm左右，依然可實現(xiàn)拉曼信號的整體增強和成像速度的大幅提高，為突破SERS生物成像發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)快速超靈敏生物成像開辟新機。

SERS生物成像技術(shù)的發(fā)展前景與瓶頸

得益于表面增強拉曼散射(SERS)技術(shù)靈敏度高、分辨率高、穩(wěn)定性好等優(yōu)點及其“探針”所*的指紋圖譜（高特異性）和超窄線寬（多指標檢測）優(yōu)勢，SERS技術(shù)在生物體內(nèi)成像方面表現(xiàn)出廣闊的前景，目前臨床腫瘤的治療手術(shù)中，利用拉曼成像檢測腫瘤邊緣和殘留微小腫瘤就是重要應(yīng)用之一。

然而，現(xiàn)有的SERS成像速度遠遠落后于臨床需要，通常需要幾十分鐘甚至幾小時才能獲得一個大范圍的拉曼活體圖像。其中影響SERS成像速度的重要因素之一便是SERS探針的整體拉曼信號不夠強。

Tips： SERS探針的信號強度和成像速度很大程度上取決于探針電磁場熱點區(qū)域（hot spots）的信號分子數(shù)量。常用增強信號強度的策略是通過控制探針的形貌，使其具有一些或者粗糙表面來形成電磁場熱點區(qū)域；或者通過在金屬納米結(jié)構(gòu)表面或內(nèi)部引入納米縫隙來有效地構(gòu)建電磁場熱點。但大多數(shù)都不能產(chǎn)生均勻且穩(wěn)定的SERS信號增強。

研究人員一般通過改變探針形貌來提高SERS探針信號強度，但大多數(shù)都不能產(chǎn)生均勻且穩(wěn)定的SERS信號增強。而且這類探針尺寸相對較大，通常在100-200 nm之間，應(yīng)用于生物成像領(lǐng)域，會降低探針在體內(nèi)的血液循環(huán)時間，影響探針的體內(nèi)分布情況和代謝動力學，不利于體內(nèi)的靶向識別、成像和檢測等應(yīng)用的實現(xiàn)。

因此，如何獲得尺寸較小、且可實現(xiàn)信號強度和成像速度大幅提高的探針，成為研究人員面臨的重要課題。

新型探針突破SERS生物成像發(fā)展瓶頸

近日，上海交通大學葉堅教授團隊便開發(fā)出了這樣一款強大探針——新型的、外殼為花瓣狀結(jié)構(gòu)的“多熱點”縫隙增強拉曼探針（P-GERTs），尺寸僅為70 nm左右，且同時實現(xiàn)了拉曼信號的整體增強和成像速度的大幅提高，為突破目前SERS生物成像發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)快速超靈敏生物成像開辟了新機。

葉堅教授團隊采用將拉曼信號分子同時嵌入核殼顆粒內(nèi)部和外部花瓣狀結(jié)構(gòu)之間的亞納米縫隙這一方法制得探針，表征發(fā)現(xiàn)該探針能夠大程度地提高單顆粒上報告分子的吸附量，實現(xiàn)*的拉曼信號。

此外，研究人員還可以通過調(diào)節(jié)內(nèi)嵌的拉曼信號分子數(shù)量，來調(diào)節(jié)探針的形貌和SERS性能；或通過改變外部拉曼信號分子的種類，獲得多種信號探針以實現(xiàn)多重檢測和成像。

實驗結(jié)果驗證

為了進一步驗證P-GERTs探針的信號強度和成像速度，研究人員對實驗結(jié)果進行了進一步表征。

研究人員使用HORIBAXploRA INV拉曼成像光譜儀和NanoRaman系統(tǒng)對P-GERTs探針的拉曼增強效果進行表征，發(fā)現(xiàn)：P-GERTs拉曼信號增強因子高達5 × 10⁹，相較于常見的拉曼探針提高了1-3個數(shù)量級，實現(xiàn)了*的拉曼信號。

結(jié)合HORIBA拉曼成像技術(shù)（Duoscan成像模式和Swift數(shù)據(jù)處理方式），研究人員進一步發(fā)現(xiàn)成像單點采集時間僅為0.7 ms /像素，成像速度大幅提升。在低至370 uW功率時6秒內(nèi)就獲得高分辨單細胞拉曼成像（2500個像素），52秒內(nèi)獲得高對比度大范圍（3.2 × 2.8 cm²）的小鼠活體前哨淋巴結(jié)拉曼成像，表現(xiàn)出良好的信號均一性和光穩(wěn)定性。 

“多熱點”縫隙增強拉曼探針結(jié)果圖

a) 示意圖；b) 單細胞透射電鏡圖；c) 明場圖

d) 高分辨快速拉曼成像圖 (50×50像素)

e) 高對比度大范圍 (3.2×2.8cm²) 的小鼠活體前哨淋巴結(jié)拉曼成像

上海交通大學葉堅教授團隊的這項研究結(jié)果表明：P-GERTs作為超亮和超穩(wěn)定的SERS探針，為克服目前SERS生物成像發(fā)展瓶頸，實現(xiàn)高速、高對比度超靈敏的細胞和生物組織成像提供了新機會。

文章作者&論文直達

文章作者：Yuqing Zhang, Yuqing Gu, Jing He, Benjamin D. Thackray, Jian Ye*

題目&雜志：Ultrabright gap-enhanced Raman tagsfor high-speed bioimaging. Nature Communications, 2019, 10, 3509.

致謝：葉堅課題組提供論文

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