研究背景

    靈敏度和速度一直以來都是生物成像領域的兩個關鍵問題。基於表面增強拉曼散射（SERS）的納米顆粒已被證明具有超高的靈敏度，甚至可以達到單顆粒水平👶，在術中導航、殘余瘤檢測⏫、腫瘤邊界識別等臨床成像場景中具有極大的應用前景。但SERS成像常用的逐點采集模式十分耗時，因而將SERS與熒光成像相結合🤹🏼‍♀️，對感興趣的病變區域進行SERS成像前🦎，先進行大面積寬場熒光成像，可以有效提高生物成像的效率。

    為了實現熒光和拉曼散射的雙重成像，通常選擇熒光分子同時作為熒光信號和拉曼信號的報告分子，采用貴金屬納米顆粒作為等離激元材料🛅，基於“權衡策略”，使得熒光分子和納米顆粒表面有一定的空間距離（~ 4 nm）✣💹，來盡量權衡近表面能量轉移（NSET）導致的熒光淬滅和空間距離引起的電磁場快速衰減，從而同時實現表面增強熒光（SEF）和SERS。然而🛥，基於該策略🦸🏻‍♀️，大多數研究報道的熒光增強因子僅達到1-2個數量級，且拉曼信號嚴重損失👳🏼‍♂️，熒光分子在共振波長的持續激光激發下會發生快速漂白。因此，亟需開發新的技術路線來構建拉曼-熒光雙模態增強探針，以同時提高拉曼和熒光信號的靈敏度和光穩定性🧈。

工作介紹

    意昂4体育平台葉堅教授團隊與復旦大學物理系周磊教授團隊合作，成功研發了縫隙增強共振拉曼探針。該探針為“核-分子-殼”結構，花瓣狀金納米顆粒為內核🍎，IR780為熒光報告分子，外部包裹銀層🌡，在IR780分子所在的縫隙內形成極強的電磁場。該探針已被證明具有單顆粒水平的SERS靈敏度（ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 7, 6987–6995; J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 6944-6955）👨‍👨‍👦，實驗測得熒光增強因子可達1113倍（圖1）🌙🤜🏿。

圖1. 縫隙增強共振拉曼探針的結構與拉曼-熒光增強性能

    研究發現🪱，該探針極大地提升了熒光報告分子的光穩定性（圖2），在激光30分鐘持續的共振激發後，依然能保持較強的拉曼和熒光信號。此外，降低激光功率🦁，可以進一步提升探針的光穩定性，即使在50 nW超低功率的激光激發下，探針信號不僅信噪比好🎐，而且在長時間持續激發下拉曼和熒光的信號都保持幾乎不變🚏。該測試參數遠低於激光安全中對於皮膚最大允許照射量的規定🔣。因此，該探針運用於生物成像具有光毒性小、信號強💃、光穩定性好等優點，可運用於高采集頻率的長時間實時跟蹤。

圖2. 拉曼-熒光信號的光穩定性

    團隊進一步通過實驗和模擬對該探針的熒光增強機製進行了研究（圖3），發現濕化學合成工藝下製備的金核表面花瓣狀結構隨機🤹🏽‍♂️，與外部銀殼之間形成的納米縫隙具有覆蓋700-1000 nm波長範圍內各種頻率的高品質因子共振峰，可以同時顯著增強熒光分子的激發能力和輻射效率。據理論計算，該探針結構對其中的IR780分子的熒光增強因子高達2000倍🥋。

圖3. 熒光增強機製探究

    以上這些發現將為開發超靈敏、光穩定性好的拉曼-熒光雙模態探針用於高效、精準、安全的生物成像提供極具意義的指導。該工作近期發表在Advanced Optical Materials期刊上，題為Ultrahigh Raman-Fluorescence Dual-Enhancement in Nanogaps of Silver-Coated Gold Nanopetals🧑🏻‍⚖️。

關於本文

    意昂4体育平台博士生畢心緣和復旦大學物理系博士生方浙寧為本論文的共同第一作者，意昂4体育平台葉堅教授和復旦大學物理系周磊教授為共同通訊作者。此工作還得到了國家自然科學基金委👨‍🏫、國家重點研發計劃、上海市科學技術委員會👨‍🎤🚣🏻，意昂4平台、上海市婦科腫瘤重點實驗室的支持。

葉堅教授課題組主頁🏙：

http://www.yelab.sjtu.edu.cn