即使是最小的分子也能講述一個(gè)大故事。例如，觀察單個(gè)分子可以揭示人體潛在的生物過程。事實(shí)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(cè)分子的變化，并可以通過其獨(dú)特的拉曼光譜識(shí)別特定分子：一種分子指紋。SERS 的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它是非破壞性的并且需要最少的樣品制備，因?yàn)樗恍枰砑踊瘜W(xué)物質(zhì)或修改來進(jìn)行測(cè)量。

在最近發(fā)表在Advanced Materials 上的一項(xiàng)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(cè)。他們的發(fā)明可以為快速、更準(zhǔn)確的診斷測(cè)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(duì)設(shè)計(jì)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(duì)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(shí)現(xiàn)超低濃度下的定量生物分子成像。

“SERS 測(cè)量的有效性取決于納米級(jí)探針的結(jié)構(gòu)和可重復(fù)性。如果成功設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，我們的 DNA-STROBE 結(jié)構(gòu)將提供實(shí)時(shí)、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(shí)現(xiàn)的平臺(tái)，”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(cè)量可以在納米尺度上提供前所未有的洞察力，這對(duì)于傳統(tǒng)成像方法來說仍然是一項(xiàng)具有挑戰(zhàn)性的努力。SERS 信號(hào)的強(qiáng)度取決于納米級(jí)間隙的大小，稱為“熱點(diǎn)”。由于這些納米腔限制了光能，間隙越小，SERS 信號(hào)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(duì)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(diǎn)。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(huì)發(fā)生變化，從而可能削弱 SERS 信號(hào)。因此，該團(tuán)隊(duì)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(dòng)。

該研究報(bào)告了兩個(gè)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(hào)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(hào)，它足夠強(qiáng)大，可以進(jìn)行實(shí)時(shí)傳感和超分辨率成像。這肯定會(huì)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(shí)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(duì)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(cè)提供了最先進(jìn)的平臺(tái)。

“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。

標(biāo)簽： 光學(xué)成像