研究背景
隨著生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)的發(fā)展，拉曼光譜技術(shù)因其在化學(xué)成分分析中的優(yōu)越性能而引起了科學(xué)家的廣泛關(guān)注。拉曼光譜技術(shù)能夠通過(guò)探測(cè)分子內(nèi)部的非彈性散射光，揭示諸如核酸、蛋白質(zhì)和脂質(zhì)等分子的化學(xué)信息，從而為細(xì)胞的基因型、表型和生理狀態(tài)提供寶貴的數(shù)據(jù)。然而，盡管拉曼光譜具有化學(xué)選擇性強(qiáng)和對(duì)光漂白耐受性好的優(yōu)點(diǎn)，但其固有的低散射截面使得小分子拉曼信號(hào)的檢測(cè)極其低效，限制了其在實(shí)際應(yīng)用中的廣泛使用。為了克服這一問(wèn)題，研究者們提出了表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)，通過(guò)將小分子拉曼探針吸附在金、銀等無(wú)機(jī)或有機(jī)基底表面，利用表面等離子體共振效應(yīng)顯著提高拉曼信號(hào)的強(qiáng)度。SERS技術(shù)能夠?qū)⒗盘?hào)放大高達(dá)108至1011倍，從而實(shí)現(xiàn)超靈敏的成像。然而，使用這些基底材料時(shí)存在的生物安全性問(wèn)題限制了SERS技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用范圍。因此，如何在不依賴基底的情況下實(shí)現(xiàn)高分辨率的體內(nèi)拉曼成像成為一個(gè)長(zhǎng)期存在的挑戰(zhàn)。為了解決這一問(wèn)題，上海交通大學(xué)肖澤宇教授、復(fù)旦大學(xué)陸偉教授、中國(guó)科學(xué)院杭州醫(yī)學(xué)所方曉紅研究員合作在“Nature Biotechnology”期刊上發(fā)表了題為“Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo”的最新論文。研究者們提出了無(wú)基底的SICTERS（堆疊誘導(dǎo)的電荷轉(zhuǎn)移增強(qiáng)拉曼散射）機(jī)制。SICTERS機(jī)制要求小分子具有π-共軛和層狀的平面結(jié)構(gòu)，能夠自我堆疊形成有序的空間排列，使得相鄰分子之間能夠發(fā)生三維電荷轉(zhuǎn)移。通過(guò)這一機(jī)制，研究者們首次在不依賴傳統(tǒng)基底的情況下顯著增強(qiáng)了拉曼信號(hào)。與傳統(tǒng)的基底增強(qiáng)方法相比，SICTERS機(jī)制下的小分子納米探針在拉曼散射截面方面表現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢(shì)，且能夠進(jìn)行微腫瘤的術(shù)中檢測(cè)和血管、淋巴管的非侵入性成像。 比較實(shí)驗(yàn)表明，SICTERS基于的BBT納米顆粒的拉曼散射截面達(dá)到了1.61 × 10-21 cm2，比MB在有機(jī)半導(dǎo)體膜上的截面高670倍，比[34](1,2,4,5)環(huán)芳烴高1769倍。進(jìn)一步的研究顯示，SICTERS不僅在體內(nèi)成像靈敏度、空間分辨率和成像深度上優(yōu)于SERS，還具備較高的成像深度和靈敏度，這使得SICTERS技術(shù)能夠進(jìn)行非侵入性的淋巴引流和微血管的透皮成像，這在現(xiàn)有的SERS技術(shù)中尚未實(shí)現(xiàn)。
研究亮點(diǎn)
（1）實(shí)驗(yàn)首次展示了小分子SICTERS效應(yīng)，并應(yīng)用于高靈敏度成像。通過(guò)這一機(jī)制，小分子在無(wú)基底的情況下實(shí)現(xiàn)了拉曼散射的顯著增強(qiáng)。研究表明，具有π-共軛平面結(jié)構(gòu)的分子能夠通過(guò)自堆疊形成有序的空間排列，允許相鄰分子之間進(jìn)行三維電荷轉(zhuǎn)移，從而顯著提高拉曼散射截面。 （2）實(shí)驗(yàn)通過(guò)對(duì)比SICTERS與傳統(tǒng)SERS技術(shù)，結(jié)果表明SICTERS在拉曼散射截面上優(yōu)于SERS。具體來(lái)說(shuō)，BBT納米顆粒的拉曼散射截面為1.61 × 10-21 cm2，比相似粒徑的基于SERS的金納米顆粒高1350倍。SICTERS還在體內(nèi)成像靈敏度、空間分辨率和成像深度方面表現(xiàn)優(yōu)異。（3）與SRS和CARS技術(shù)相比，SICTERS具有更深的成像深度，能夠?qū)崿F(xiàn)1.2 mm的生物組織成像深度，而SRS/CARS的成像深度通常小于0.4 mm。SICTERS技術(shù)的靈敏度達(dá)到了1.25 pM，相比于SRS技術(shù)中使用的炔烴探針高出108到109倍。SICTERS還能夠在術(shù)中實(shí)現(xiàn)多重成像，例如同時(shí)描繪血管和腫瘤，具有較好的應(yīng)用前景。
圖文解讀
圖1：聚集增強(qiáng)小分子拉曼散射效應(yīng)圖2：基于DTBT的平面D-A-D分子的堆疊誘導(dǎo)分子間電荷轉(zhuǎn)移。圖3：具有D-A-D結(jié)構(gòu)的小分子DTBT通過(guò)堆疊誘導(dǎo)分子間電荷轉(zhuǎn)移（SICTERS）。 圖 4: 基于SICTERS的小分子納米探針與基于SERS的金納米探針的拉曼散射截面比較。 圖5：使用SICTERS納米探針對(duì)原位小鼠結(jié)腸腫瘤進(jìn)行的手術(shù)中拉曼成像。 圖6：使用基于SICTERS的BBT納米探針對(duì)淋巴引流和血管進(jìn)行的非侵入性拉曼成像。
總結(jié)展望
本文的研究揭示了SICTERS效應(yīng)在小分子拉曼散射增強(qiáng)中的重要性，與傳統(tǒng)的π–π堆疊增強(qiáng)機(jī)制相比，SICTERS提供了更顯著的拉曼散射截面提升。這一發(fā)現(xiàn)突顯了三維超分子D-A結(jié)構(gòu)在電荷轉(zhuǎn)移過(guò)程中的關(guān)鍵作用，超越了以往的π-π堆疊或分子內(nèi)部電荷轉(zhuǎn)移的限制。SICTERS技術(shù)不僅克服了SERS技術(shù)對(duì)基底材料的依賴，減少了生物安全性問(wèn)題，還在體內(nèi)成像靈敏度、空間分辨率和成像深度方面表現(xiàn)出明顯優(yōu)勢(shì)。特別是SICTERS的靈敏度和成像深度分別比SRS和CARS技術(shù)高出108到109倍，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)小鼠體內(nèi)的淋巴結(jié)進(jìn)行非侵入性成像。此外，SICTERS的超窄譜峰特性允許在同一激發(fā)波長(zhǎng)下實(shí)現(xiàn)多重成像，從而提升了術(shù)中多重成像的能力。綜上所述，SICTERS不僅在無(wú)基底拉曼成像領(lǐng)域開辟了新路徑，也為未來(lái)的生物醫(yī)學(xué)成像技術(shù)提供了新的研究方向，尤其是在深層組織成像和多重標(biāo)記成像方面具有廣闊的應(yīng)用前景。Gao, S., Zhang, Y., Cui, K. et al. Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo. Nat Biotechnol (2024). https://doi.org/10.1038/s41587-024-02342-9
