中國青年報客戶端訊（中青報·中青網記者 王燁捷）4月17日，國際頂級期刊nature（《自然》）在線發表了題為“digital colloid-enhanced raman spectroscopy by single-molecule counting”（通過單分子計數進行數字膠體增強拉曼光譜定量檢測）的研究論文。該研究針對錶面增強拉曼光譜領域內定量的挑戰，系統闡述了基於數字膠體增強拉曼光譜（digital colloid-enhanced raman spectroscopy, dcers）的定量技術。基於單分子計數，dcers成功實現了超低濃度目標分子的可靠定量檢測，為表面增強拉曼光譜技術的普遍應用奠定了重要基礎。
本文的第一作者為上海交通大學生物醫學工程學院致遠榮譽計劃博士研究生畢心緣，通訊作者為葉堅教授。作為資深作者，邵志峰教授在基本概念、數據解析以及文章的凝練、修改等方面做出了關鍵貢獻。daniel m. czajkowsky教授也對數據的物理原理與文章修改做出了重要貢獻。上海交通大學是論文的唯一完成單位和通訊單位。
圖為論文發表截圖。本文圖片均由受訪團隊提供
拉曼散射（raman scattering）是chandrasekhara venkata raman於1928年發現的一種指紋式的、具有分子結構特異性的非彈性散射光譜，並獲得了1930年頒發的諾貝爾物理學獎。通過拉曼譜峰可以直接判斷對應的分子結構，進而識別具體的分子的類型。該技術具有無需標記的優勢，使其在物理、化學、生物、地質、醫學、國防和公共安全等各個領域均具有重要的應用價值。
拉曼信號通常比較弱，因此增強其信號就變得非常有必要。表面增強拉曼光譜（surface-enhanced raman spectroscopy, sers）源於1974年英國南安普敦大學化學系martin fleischmann等人的一個重要實驗。1997年sers迎來了里程碑的事件——單分子sers檢測的實現。自此，sers技術被認為有希望使得拉曼光譜第二次獲得諾貝爾獎。
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但是，隨着sers研究的不斷深入，人們發現在低濃度檢測時，拉曼信號強度存在極大的不可重複性。因此，具有單分子檢測的靈敏度並不意味着超靈敏定量的實現。換言之，獲得更高的增強因子只是實現sers高靈敏定量檢測的必要條件，而只有實現了具有可重複性的測量，sers技術才具有實際應用與大規模推廣的能力。這一困擾拉曼領域幾十年的難題，難以在現有的技術框架中得到圓滿解決。
上海交通大學生物醫學工程學院葉堅教授和邵志峰教授團隊發明了數字膠體增強拉曼光譜（dcers），利用膠體納米顆粒，可以實現較高效率的單分子檢測。通過該單分子計數的方式可以實現對多種分子（如染料分子、代謝小分子、核酸、蛋白）的定量檢測。其中，dcers技術所採用的膠體顆粒的合成步驟簡單，易於放大生產，在應用中，可以方便地取出每個批次的少量顆粒來針對具體的目標分子預先建立標準曲線，從而可以可靠地用於後續未知濃度樣本的定量。
為了確立dcers在實際測量中的潛力，該團隊選取了百草枯和福美雙作為展示實例。百草枯是一種高效、劇毒的除草劑，可以誘導帕金森氏病的發生，目前已有32個國家嚴格禁止其使用。福美雙是一種含硫劇毒殺真菌劑，被歐盟歸為二類致癌物。因此，超高靈敏度的、準確可靠的定量檢測技術對於這些分子的檢測非常重要，尤其是致癌物，原則上不存在安全劑量。
選取普通的湖水作為背景並混入微量的百草枯，該團隊成功實現了低於歐盟最大殘留量規定三個數量級的檢測靈敏度。對於福美雙，該團隊選取了實驗室培養的豆芽提取液，達到了優於質譜五個數量級的檢測靈敏度。他們證明了，通過系列稀釋的方法，檢測中的背景干擾可以得到完美的抑制，從而實現準確的靶分子濃度的測量。而dcers的超高靈敏度和可靠的統計分布是實現這些定量測量的關鍵基礎。
圖為研究團隊成員。
這項研究展示了dcers技術基於單分子計數實現了超低濃度目標分子在未知複雜背景中的可重複性定量，無需使用任何目標分子的特定標記。由於不同的目標分子大多具有獨特的sers光譜，dcers可以實現多種不同分子的同時定量檢測，因此具有很好的應用前景。另外，本工作使用的膠體納米顆粒可以方便地進行大規模生產和製備，而檢測方法相對簡單，因此，dcers有望進一步推動高靈敏檢測技術的變革和進步。
今年剛好是發現sers技術的50周年，隨着dcers技術的進一步成熟，dcers在生命科學、臨床醫學、環境保護、食品檢測、國防與公共安全以及基礎研究等領域有望得到廣泛應用。
來源：中國青年報客戶端
