用于單分子無標記定量檢測的數字膠體增強拉曼光譜技術

拉曼光譜是一種指紋式的、具有分子結構特異性的非彈性散射光譜。通過表面增強拉曼光譜（SERS）技術可以實現對分子本身較弱的拉曼信號產生極大的增強，甚至可以達到單個分子的檢測靈敏度。SERS的應用范圍遍及物理、化學、生物和醫學等各個領域。

隨著SERS研究不斷深入，人們發現低濃度檢測時的拉曼信號強度存在極大的不可重復性。單分子的檢測能力并不意味著可以實現定量，如何將超靈敏的SERS技術應用到更廣泛的場景中，重要的不僅僅是獲得更高的增強因子，更是如何獲得具有可重復性的定量能力。SERS技術被發現50年以來，重復性問題始終未被真正解決，是阻礙SERS大規模應用的主要瓶頸。

為解決上述問題，近日，上海交通大學生物醫學工程學院葉堅教授、邵志峰教授團隊，開發了數字膠體增強拉曼光譜技術，基于單分子計數，真正在可操作的層面上實現了超低濃度目標分子的具有可重復性的定量。相關研究成果以“Digital colloid-enhanced Raman spectroscopy by single-molecule counting”為題，在線發表于Nature期刊。

研究人員發現，盡管分子種類不同，其濃度與單分子計數的依賴關系不同，但是均符合吉布斯熱力學的理論（圖2）。研究人員還發現，基于單分子計數的定量檢測誤差只受到泊松噪聲的影響，即通過檢測光譜的增加，可以有效地提升定量靈敏度與準確性（圖3），這與基于信號模擬強度的傳統定量方法完全不同。

圖2 數字膠體增強拉曼光譜技術原理與不同種類分子的定量標準曲線



圖3 數字膠體增強拉曼光譜技術定量檢測誤差服從泊松分布

進一步地，研究人員選取了百草枯和福美雙作為展示實例來證明該技術的應用潛力，結果表明，可以達到遠低于歐盟最大殘留量的規定和優于其他定量檢測技術的檢測靈敏度（圖4）。



圖4 數字膠體增強拉曼光譜技術在微量分子檢測中的應用

此外，該技術兼具備可大規模生產、制備及檢測方法便捷、成本低、易校準等優點，有望推動SERS技術在生命科學、臨床醫學、環境保護、食品安全等領域中得到大規模應用。

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