即使是最小的分子也能講述一個大故事。例如，觀察單個分子可以揭示人體潛在的生物過程。事實上，無創(chuàng)且無痛的分子成像程序正被用于診斷和管理 、癌癥、心臟病和其他嚴(yán)重健康狀況的治療。

單分子成像更有前景的技術(shù)之一是表面增強(qiáng)拉曼光譜或 SERS。通過將激光束聚焦在樣品上，SERS 根據(jù)分子散射光的方式檢測分子的變化，并可以通過其獨特的拉曼光譜識別特定分子：一種分子指紋。SERS 的一個優(yōu)點是它是非破壞性的并且需要最少的樣品制備，因為它不需要添加化學(xué)物質(zhì)或修改來進(jìn)行測量。

在最近發(fā)表在Advanced Materials 上的一項研究中，Johns Hopkins Whiting 工程學(xué)院的工程師描述了一種新型納米材料，它可以使用 SERS 進(jìn)行快速和高靈敏度的單分子檢測。他們的發(fā)明可以為快速、更準(zhǔn)確的診斷測試鋪平道路。

為了創(chuàng)造他們的新材料，稱為用于拉曼光學(xué)信標(biāo)或 DNA-STROBE 的 DNA 硅化模板，由機(jī)械工程副教授 Ishan Barman 領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊設(shè)計了只有幾納米或更小的光學(xué)腔。在 SERS 成像中，這些等離子體腔通過將電磁輻射轉(zhuǎn)換為電子波來“捕獲”光束。Barman 團(tuán)隊的微小等離子體納米腔以指數(shù)方式增加了這種被捕獲的電磁能的密度，有可能實現(xiàn)超低濃度下的定量生物分子成像。

“SERS 測量的有效性取決于納米級探針的結(jié)構(gòu)和可重復(fù)性。如果成功設(shè)計和實現(xiàn)，我們的 DNA-STROBE 結(jié)構(gòu)將提供實時、單分子、無標(biāo)記的光學(xué)傳感，這是任何現(xiàn)有技術(shù)幾乎不可能實現(xiàn)的平臺，”該論文的通訊作者巴曼說。

該研究的合著者包括 Le Liang 和 Peng Zheng，他們都是約翰霍普金斯懷廷工程學(xué)院的博士后研究員。

根據(jù) Barman 的說法，SERS 測量可以在納米尺度上提供前所未有的洞察力，這對于傳統(tǒng)成像方法來說仍然是一項具有挑戰(zhàn)性的努力。SERS 信號的強(qiáng)度取決于納米級間隙的大小，稱為“熱點”。由于這些納米腔限制了光能，間隙越小，SERS 信號越高。然而，他解釋說，以可編程和可重復(fù)的方式制造這種小尺寸的納米腔極其困難(且昂貴)。

研究小組轉(zhuǎn)向 DNA 納米技術(shù)尋找答案。該團(tuán)隊使用 DNA 作為支架，構(gòu)建了大小合適的合成納米腔，以成為熱點。但考慮到 DNA 的彈性，尤其是它的折疊和彎曲傾向，形成的 DNA-STROBE 結(jié)構(gòu)的大小可能會發(fā)生變化，從而可能削弱 SERS 信號。因此，該團(tuán)隊用保護(hù)性超薄二氧化硅殼封裝了 DNA-STROBE 結(jié)構(gòu)，以防止這種波動。

該研究報告了兩個重要發(fā)現(xiàn)。首先，研究人員表明他們可以制造出具有良好控制和大的 SERS 信號電磁增強(qiáng)的超小納米腔。其次，他們的方法允許在高分子濃度的生物樣品中進(jìn)行單分子研究——這是先前研究的障礙。

“我們很高興地觀察到 DNA-STROBE 增強(qiáng)了拉曼信號，它足夠強(qiáng)大，可以進(jìn)行實時傳感和超分辨率成像。這肯定會開辟使用 SERS 分析的新途徑，特別是在傳感和成像方面添加造影劑和染料是不可取或不切實際的應(yīng)用，”梁說。

研究人員說，下一步將是為一系列應(yīng)用開發(fā)一套定制的 DNA-STROBE 衍生分析工具。例如，該團(tuán)隊相信他們的方法為循環(huán)癌癥生物標(biāo)志物的超靈敏檢測提供了最先進(jìn)的平臺。

“通過適當(dāng)?shù)亩ㄖ?，DNA-STROBE 可以在從臨床診斷和基礎(chǔ)生物醫(yī)學(xué)研究到環(huán)境傳感和單分子操作的廣泛領(lǐng)域取得進(jìn)展，”巴曼補(bǔ)充道。

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