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微小的结构产生强大的光束以增强光学成像

即使是最小的分子也可以讲一个大故事。例如,观察单个分子可能会给人体潜在的生物过程带来光影。实际上,无创且无痛的分子成像程序已被用于诊断和管理COVID-19,癌症,心脏病和其他严重健康状况的治疗。

用于单分子成像的最有前景的技术之一是表面增强拉曼光谱或SERS。通过将激光束聚焦在样品上,SERS可以根据分子散射光的方式检测分子的变化,并可以通过其独特的拉曼光谱(一种分子指纹)识别特定分子。SERS的一个优点是它是非破坏性的,并且需要最少的样品制备,因为它不需要添加化学物质或进行修改即可进行测量。

在最近发表在《高级材料》上的一项研究中,约翰·霍普金斯·怀廷工程学院的工程师描述了一种新型的纳米材料,该材料能够使用SERS进行快速,高度灵敏的单分子检测。他们的发明可以为快速,更准确的诊断测试铺平道路。

机械制造副教授Ishan Barman领导的一个团队创建了他们的新材料,称为拉曼光学信标的DNA硅化模板或DNA-STROBE,设计了仅几纳米或更小的光腔。在SERS成像中,这些等离子体腔通过将电磁辐射转换为电子波来“捕获”光束。Barman团队的微小等离子纳米腔以指数方式增加了这种捕获的电磁能的密度,从而有可能在超低浓度下进行定量生物分子成像。

“ SERS测量的有效性取决于纳米级探针的结构和可重复性。如果成功设计和实现,我们的DNA-STROBE结构将提供实时,单分子,无标记的光学传感,几乎任何现有技术都无法实现。平台”,该论文的通讯作者Barman说。

研究的共同作者包括约翰·霍普金斯·怀廷工程学院的博士后研究员Le Liang和Peng Zheng。

根据Barman的说法,SERS测量可以在纳米级提供空前的见识,对于传统的成像方法而言,这仍然是一项艰巨的挑战。SERS信号的强度取决于称为“热点”的纳米级间隙的大小。因为这些纳米腔限制了光能,所以间隙越小,SERS信号越高。然而,他解释说,这种小尺寸的纳米腔极难(且昂贵)以可编程和可复制的方式制造。

研究团队转向DNA纳米技术来寻找答案。该团队使用DNA作为支架,构建了合成纳米腔,其大小正好成为热点。但是,考虑到DNA的弹性性质,尤其是其折叠和弯曲的倾向,形成的DNA-STROBE结构的大小可能会发生变化,从而可能削弱SERS信号。因此,研究小组用超薄硅胶保护壳封装了DNA-STROBE结构,以防止这种波动。

该研究报告了两个重要发现。首先,研究人员表明,他们可以通过对SERS信号进行良好控制和大电磁增强来制造超小型纳米腔。其次,他们的方法甚至允许在具有高分子浓度的生物样品中进行单分子研究,这是现有研究的障碍。

“我们很高兴地看到DNA-STROBE增强了拉曼信号,并且其强度足以允许实时感测和超分辨率成像。这无疑将为SERS分析(尤其是在感测和成像中)使用开辟新的途径。在添加造影剂和染料的应用中是不理想的或不实用的。”

研究人员说,下一步将是为一系列应用开发一套量身定制的DNA-STROBE衍生分析工具。例如,研究小组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一个最新平台。

Barman补充说:“通过适当的定制,DNA-STROBE可以在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的众多领域中取得进展。”

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