拉曼光譜是一種指紋式的、具有分子結(jié)構(gòu)特異性的非彈性散射光譜。通過(guò)表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)分子本身較弱的拉曼信號(hào)產(chǎn)生極大的增強(qiáng)，甚至可以達(dá)到單個(gè)分子的檢測(cè)靈敏度。SERS的應(yīng)用范圍遍及物理、化學(xué)、生物和醫(yī)學(xué)等各個(gè)領(lǐng)域。

隨著SERS研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)低濃度檢測(cè)時(shí)的拉曼信號(hào)強(qiáng)度存在極大的不可重復(fù)性。單分子的檢測(cè)能力并不意味著可以實(shí)現(xiàn)定量，如何將超靈敏的SERS技術(shù)應(yīng)用到更廣泛的場(chǎng)景中，重要的不僅僅是獲得更高的增強(qiáng)因子，更是如何獲得具有可重復(fù)性的定量能力。SERS技術(shù)被發(fā)現(xiàn)50年以來(lái)，重復(fù)性問(wèn)題始終未被真正解決，是阻礙SERS大規(guī)模應(yīng)用的主要瓶頸。

為解決上述問(wèn)題，近日，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葉堅(jiān)教授、邵志峰教授團(tuán)隊(duì)，開(kāi)發(fā)了數(shù)字膠體增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)，基于單分子計(jì)數(shù)，真正在可操作的層面上實(shí)現(xiàn)了超低濃度目標(biāo)分子的具有可重復(fù)性的定量。相關(guān)研究成果以“Digital colloid-enhanced Raman spectroscopy by single-molecule counting”為題，在線發(fā)表于Nature期刊。

研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管分子種類(lèi)不同，其濃度與單分子計(jì)數(shù)的依賴(lài)關(guān)系不同，但是均符合吉布斯熱力學(xué)的理論（圖2）。研究人員還發(fā)現(xiàn)，基于單分子計(jì)數(shù)的定量檢測(cè)誤差只受到泊松噪聲的影響，即通過(guò)檢測(cè)光譜的增加，可以有效地提升定量靈敏度與準(zhǔn)確性（圖3），這與基于信號(hào)模擬強(qiáng)度的傳統(tǒng)定量方法完全不同。

圖2 數(shù)字膠體增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)原理與不同種類(lèi)分子的定量標(biāo)準(zhǔn)曲線



圖3 數(shù)字膠體增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)定量檢測(cè)誤差服從泊松分布

進(jìn)一步地，研究人員選取了百草枯和福美雙作為展示實(shí)例來(lái)證明該技術(shù)的應(yīng)用潛力，結(jié)果表明，可以達(dá)到遠(yuǎn)低于歐盟最大殘留量的規(guī)定和優(yōu)于其他定量檢測(cè)技術(shù)的檢測(cè)靈敏度（圖4）。



圖4 數(shù)字膠體增強(qiáng)拉曼光譜技術(shù)在微量分子檢測(cè)中的應(yīng)用

此外，該技術(shù)兼具備可大規(guī)模生產(chǎn)、制備及檢測(cè)方法便捷、成本低、易校準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)，有望推動(dòng)SERS技術(shù)在生命科學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)、環(huán)境保護(hù)、食品安全等領(lǐng)域中得到大規(guī)模應(yīng)用。

論文鏈接： https://doi.org/10.1038/s41586-024-07218-1