拉曼光譜是一種指紋式的、具有分子結(jié)構(gòu)特異性的非彈性散射光譜。通過表面增強拉曼光譜（SERS）技術(shù)可以實現(xiàn)對分子本身較弱的拉曼信號產(chǎn)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(yī)學等各個領(lǐng)域。

隨著SERS研究不斷深入，人們發(fā)現(xiàn)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(xiàn)定量，如何將超靈敏的SERS技術(shù)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(shù)被發(fā)現(xiàn)50年以來，重復性問題始終未被真正解決，是阻礙SERS大規(guī)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(yī)學工程學院葉堅教授、邵志峰教授團隊，開發(fā)了數(shù)字膠體增強拉曼光譜技術(shù)，基于單分子計數(shù)，真正在可操作的層面上實現(xiàn)了超低濃度目標分子的具有可重復性的定量。相關(guān)研究成果以“Digital colloid-enhanced Raman spectroscopy by single-molecule counting”為題，在線發(fā)表于Nature期刊。

研究人員發(fā)現(xiàn)，盡管分子種類不同，其濃度與單分子計數(shù)的依賴關(guān)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(fā)現(xiàn)，基于單分子計數(shù)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(tǒng)定量方法完全不同。

圖2 數(shù)字膠體增強拉曼光譜技術(shù)原理與不同種類分子的定量標準曲線



圖3 數(shù)字膠體增強拉曼光譜技術(shù)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(shù)的應用潛力，結(jié)果表明，可以達到遠低于歐盟最大殘留量的規(guī)定和優(yōu)于其他定量檢測技術(shù)的檢測靈敏度（圖4）。



圖4 數(shù)字膠體增強拉曼光譜技術(shù)在微量分子檢測中的應用

此外，該技術(shù)兼具備可大規(guī)模生產(chǎn)、制備及檢測方法便捷、成本低、易校準等優(yōu)點，有望推動SERS技術(shù)在生命科學、臨床醫(yī)學、環(huán)境保護、食品安全等領(lǐng)域中得到大規(guī)模應用。

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