用于单分子无标记定量检测的数字胶体增强拉曼光谱技术

拉曼光谱是一种指纹式的、具有分子结构特异性的非弹性散射光谱。通过表面增强拉曼光谱（SERS）技术可以实现对分子本身较弱的拉曼信号产生极大的增强，甚至可以达到单个分子的检测灵敏度。SERS的应用范围遍及物理、化学、生物和医学等各个领域。

随着SERS研究不断深入，人们发现低浓度检测时的拉曼信号强度存在极大的不可重复性。单分子的检测能力并不意味着可以实现定量，如何将超灵敏的SERS技术应用到更广泛的场景中，重要的不仅仅是获得更高的增强因子，更是如何获得具有可重复性的定量能力。SERS技术被发现50年以来，重复性问题始终未被真正解决，是阻碍SERS大规模应用的主要瓶颈。

为解决上述问题，近日，上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授、邵志峰教授团队，开发了数字胶体增强拉曼光谱技术，基于单分子计数，真正在可操作的层面上实现了超低浓度目标分子的具有可重复性的定量。相关研究成果以“Digital colloid-enhanced Raman spectroscopy by single-molecule counting”为题，在线发表于Nature期刊。

研究人员发现，尽管分子种类不同，其浓度与单分子计数的依赖关系不同，但是均符合吉布斯热力学的理论（图2）。研究人员还发现，基于单分子计数的定量检测误差只受到泊松噪声的影响，即通过检测光谱的增加，可以有效地提升定量灵敏度与准确性（图3），这与基于信号模拟强度的传统定量方法完全不同。

图2 数字胶体增强拉曼光谱技术原理与不同种类分子的定量标准曲线



图3 数字胶体增强拉曼光谱技术定量检测误差服从泊松分布

进一步地，研究人员选取了百草枯和福美双作为展示实例来证明该技术的应用潜力，结果表明，可以达到远低于欧盟最大残留量的规定和优于其他定量检测技术的检测灵敏度（图4）。



图4 数字胶体增强拉曼光谱技术在微量分子检测中的应用

此外，该技术兼具备可大规模生产、制备及检测方法便捷、成本低、易校准等优点，有望推动SERS技术在生命科学、临床医学、环境保护、食品安全等领域中得到大规模应用。

论文链接： https://doi.org/10.1038/s41586-024-07218-1

审核编辑：刘清