Nature | 上海交通大學葉堅團隊通過拉曼光譜實現超低濃度目標分子定量檢測

2024年04月28日23:42:11 科學 4312

引言

從檢測致癌誘變劑和早期疾病標誌物到環境污染物和生物恐怖製劑,在複雜混合物中以極低濃度對各種分子進行定量檢測一直是科學和工程許多領域的主要目標。此外,無需外部標記或修改就能檢測這些分析物的技術是非常有價值的,而且常常是首選。在這方面,表面增強拉曼光譜可以僅根據其固有的和獨特的振動特徵來檢測複雜混合物中的分子種類。然而,由於在低分析物濃度下不可控的信號異質性和較差的再現性,表面增強拉曼光譜的發展迄今為止一直具有挑戰性。

2024年4月17日,上海交通大學葉堅團隊(畢心緣為第一作者)在nature在線發表題為「digital colloid-enhanced raman spectroscopy by single-molecule counting」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。

具體來說,該研究使用數字(納米)膠體增強拉曼光譜,可以通過單分子計數常規地在非常低濃度下實現廣泛目標分子的可重複量化,僅受測量過程的泊松噪聲的限制。由於金屬膠體納米粒子可以增強這些振動特徵,包括羥胺還原銀膠體,可以在常規條件下大規模製造,可以預見數字(納米)膠體增強拉曼光譜將成為可靠和超靈敏檢測各種分析物的首選技術,包括對人類健康非常重要的分析物。

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最近在分子檢測策略中實施的數字量化,將模擬信號轉換為單分子計數,已經在非常低濃度分析物的穩健和定量測量方面取得了顯著進展,特別是數字聚合酶鏈反應(dpcr)和數字酶聯免疫吸附測定(delisa)。然而,dpcr僅適用於檢測預先靶向的dna和rna序列,而delisa受限於高特異性抗體的可用性,從而限制了它們分別檢測核酸和(部分)蛋白質的能力。
在這方面,表面增強拉曼光譜(sers)一直被認為是一種很有前途的方法,因為分子可以在沒有任何外部標識符的情況下識別,僅基於其固有的、獨特的振動特徵。此外,當分子處於等離子體納米結構的電磁熱點時,信號的顯著增強使得單分子檢測成為可能。然而,由於分子取向的變化和熱點電磁場的不均勻等因素,這種增強不能很好地控制,導致明顯的單分子強度波動(sifs)。因此,基於所有單分子信號的綜合強度(即模擬測量)的定量在低濃度下變化很大,無法達到所需的重現性和準確性。為了減輕這一限制,已經努力製造高質量的固體襯底。然而,到目前為止,這些努力僅在選定的目標分子上取得了適度的成功,無法滿足實際應用的挑戰。
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實驗示意圖(credit: nature

儘管已經提出了單分子sers信號的數字化來規避這種sifs誘導的挑戰,但其在傳統納米結構固體襯底上的實現仍然存在問題。主要困難在於,即使在嚴格的製造條件下,固體襯底在給定襯底和不同襯底之間都是異質的,並且由於測量過程的不可逆性,這些差異無法通過校準來糾正。雖然這些變化在高濃度下可能不受限制,但在低濃度下,即使在最佳條件下,也不能有把握地進行可靠和準確的定量。此外,固體底物中熱點的數量有限,加上目標捕獲的不可逆性,導致很少有合格的單分子事件,嚴重限制了基於固體底物的方法的可靠性和靈敏度。
該研究證明了金屬膠體納米顆粒分散在水溶液中,廣泛的分子目標的單分子拉曼特徵得到充分增強,從而能夠識別目標單分子,並且通過單分子計數,這些目標分子可以以前所未有的精度重複量化,測量過程的泊松噪聲最終限制了檢測水平。


責編|探索君

排版|探索君

文章來源|「inature」

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