约翰·霍普金斯大学凯瑟琳·格雷厄姆著 左边的图像(图三)显示了衍射受限的图像，该图像太模糊，无法捕捉进行单分子SERS分析所需的等离子热点
右边是用DNA-STROBE对同一个等离子体热点进行的超分辨率成像，这足够清晰，可以进行单分子SERS分析
学分:约翰·霍普金斯大学 即使是最小的分子也能讲述一个大故事
例如，观察单个分子可以揭示人体潜在的生物过程
事实上，分子成像程序——无创且无痛——正被用于诊断和管理新冠肺炎病、癌症、心脏病和其他严重健康状况的治疗
单分子成像最有前途的技术之一是表面增强拉曼光谱，或称SERS
通过将激光束聚焦在样品上，SERS根据分子散射光的方式来检测分子的变化，并可以通过它们独特的拉曼光谱来识别特定的分子:一种分子指纹
SERS的一个优点是它是非破坏性的，只需要最少的样品制备，因为它不需要添加化学物质或修改来进行测量
在最近发表在《高级材料》杂志上的一项研究中，来自约翰·霍普金斯·怀廷工程学院的工程师描述了一种新型纳米材料，这种材料能够利用SERS进行快速、高灵敏度的单分子检测
他们的发明可以为快速和更准确的诊断测试铺平道路
为了创造这种新材料，一个由机械工程副教授伊山·巴曼领导的团队设计了只有几纳米或更小的光学腔
在SERS成像中，这些等离子体腔通过将电磁辐射转换成电子波来“捕获”光束
巴曼团队的微小等离子体纳米腔成倍增加了这种被捕获的电磁能量的密度，有可能实现超低浓度的定量生物分子成像
“SERS测量的有效性取决于纳米探针的结构和再现性
该论文的对应作者巴曼说:“如果设计和实现成功，我们的DNA-STROBE结构可以提供实时、单分子、无标记的光学传感，这在任何现有平台上都几乎不可能实现。”
这项研究的合著者包括乐亮和郑鹏，他们都是约翰·霍普金斯惠廷工程学院的博士后研究员
根据巴曼的说法，SERS测量可以在纳米尺度上提供前所未有的洞察力，这对于传统的成像方法来说仍然是一项具有挑战性的工作
SERS信号的强度取决于被称为“热点”的纳米级间隙的大小
"
因为这些纳米腔限制了光能，间隙越小，SERS信号越高
然而，他解释说，以可编程和可再现的方式制造这种小尺寸的纳米腔极其困难(而且昂贵)
研究小组转向DNA纳米技术来寻找答案
利用脱氧核糖核酸作为支架，该团队建造了合成纳米腔，这是成为热点的最佳尺寸
但是考虑到脱氧核糖核酸的弹性，特别是其折叠和弯曲的倾向，形成的脱氧核糖核酸-STROBE结构的大小可能会改变，潜在地削弱SERS信号
因此，研究小组用保护性超薄二氧化硅外壳封装了DNA-STROBE结构，以防止这种波动
这项研究报告了两个重要的发现
首先，研究人员展示了他们可以制造超小的纳米腔，并对SERS信号进行很好的控制和很大的电磁增强
第二，他们的方法允许甚至在具有高分子浓度的生物样品中进行单分子研究——这是先前研究中的一个障碍
“我们很兴奋地观察到脱氧核糖核酸频闪增强了拉曼信号，它足够强，可以进行实时传感和超分辨率成像
这无疑为SERS分析开辟了新的途径，特别是在不希望或不实际添加造影剂和染料的传感和成像应用中，”梁说
研究人员说，下一步将是开发一套适用于一系列应用的定制的基于脱氧核糖核酸选通脉冲的分析工具
例如，该团队认为他们的方法为循环癌症生物标志物的超灵敏检测提供了最先进的平台
“通过适当的定制，DNA-STROBE可以在广泛的领域取得进展，从临床诊断和基础生物医学研究到环境传感和单分子操作，”巴曼补充道
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