Nature | 上海交通大学叶坚团队通过拉曼光谱实现超低浓度目标分子定量检测

2024年04月28日23:42:11 科学 4312

引言

从检测致癌诱变剂和早期疾病标志物到环境污染物和生物恐怖制剂，在复杂混合物中以极低浓度对各种分子进行定量检测一直是科学和工程许多领域的主要目标。此外，无需外部标记或修改就能检测这些分析物的技术是非常有价值的，而且常常是首选。在这方面，表面增强拉曼光谱可以仅根据其固有的和独特的振动特征来检测复杂混合物中的分子种类。然而，由于在低分析物浓度下不可控的信号异质性和较差的再现性，表面增强拉曼光谱的发展迄今为止一直具有挑战性。

2024年4月17日，上海交通大学叶坚团队（毕心缘为第一作者）在nature在线发表题为“digital colloid-enhanced raman spectroscopy by single-molecule counting”的研究论文，该研究针对表面增强拉曼光谱领域内定量的挑战，系统阐述了基于数字胶体增强拉曼光谱（digital colloid-enhanced raman spectroscopy, dcers）的定量技术。基于单分子计数，dcers成功实现了超低浓度目标分子的可靠定量检测，为表面增强拉曼光谱技术的普遍应用奠定了重要基础。

具体来说，该研究使用数字(纳米)胶体增强拉曼光谱，可以通过单分子计数常规地在非常低浓度下实现广泛目标分子的可重复量化，仅受测量过程的泊松噪声的限制。由于金属胶体纳米粒子可以增强这些振动特征，包括羟胺还原银胶体，可以在常规条件下大规模制造，可以预见数字(纳米)胶体增强拉曼光谱将成为可靠和超灵敏检测各种分析物的首选技术，包括对人类健康非常重要的分析物。

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最近在分子检测策略中实施的数字量化，将模拟信号转换为单分子计数，已经在非常低浓度分析物的稳健和定量测量方面取得了显著进展，特别是数字聚合酶链反应(dpcr)和数字酶联免疫吸附测定(delisa)。然而，dpcr仅适用于检测预先靶向的dna和rna序列，而delisa受限于高特异性抗体的可用性，从而限制了它们分别检测核酸和(部分)蛋白质的能力。

在这方面，表面增强拉曼光谱(sers)一直被认为是一种很有前途的方法，因为分子可以在没有任何外部标识符的情况下识别，仅基于其固有的、独特的振动特征。此外，当分子处于等离子体纳米结构的电磁热点时，信号的显著增强使得单分子检测成为可能。然而，由于分子取向的变化和热点电磁场的不均匀等因素，这种增强不能很好地控制，导致明显的单分子强度波动(sifs)。因此，基于所有单分子信号的综合强度(即模拟测量)的定量在低浓度下变化很大，无法达到所需的重现性和准确性。为了减轻这一限制，已经努力制造高质量的固体衬底。然而，到目前为止，这些努力仅在选定的目标分子上取得了适度的成功，无法满足实际应用的挑战。

实验示意图（credit: nature）

尽管已经提出了单分子sers信号的数字化来规避这种sifs诱导的挑战，但其在传统纳米结构固体衬底上的实现仍然存在问题。主要困难在于，即使在严格的制造条件下，固体衬底在给定衬底和不同衬底之间都是异质的，并且由于测量过程的不可逆性，这些差异无法通过校准来纠正。虽然这些变化在高浓度下可能不受限制，但在低浓度下，即使在最佳条件下，也不能有把握地进行可靠和准确的定量。此外，固体底物中热点的数量有限，加上目标捕获的不可逆性，导致很少有合格的单分子事件，严重限制了基于固体底物的方法的可靠性和灵敏度。

该研究证明了金属胶体纳米颗粒分散在水溶液中，广泛的分子目标的单分子拉曼特征得到充分增强，从而能够识别目标单分子，并且通过单分子计数，这些目标分子可以以前所未有的精度重复量化，测量过程的泊松噪声最终限制了检测水平。

责编|探索君

排版|探索君

文章来源|“inature”