研究背景

    灵敏度和速度一直以来都是生物成像领域的两个关键问题。基于表面增强拉曼散射（SERS）的纳米颗粒已被证明具有超高的灵敏度，甚至可以达到单颗粒水平，在术中导航、残余瘤检测、肿瘤边界识别等临床成像场景中具有极大的应用前景。但SERS成像常用的逐点采集模式十分耗时，因而将SERS与荧光成像相结合，对感兴趣的病变区域进行SERS成像前，先进行大面积宽场荧光成像，可以有效提高生物成像的效率。

    为了实现荧光和拉曼散射的双重成像，通常选择荧光分子同时作为荧光信号和拉曼信号的报告分子，采用贵金属纳米颗粒作为等离激元材料，基于“权衡策略”，使得荧光分子和纳米颗粒表面有一定的空间距离（~ 4 nm），来尽量权衡近表面能量转移（NSET）导致的荧光淬灭和空间距离引起的电磁场快速衰减，从而同时实现表面增强荧光（SEF）和SERS。然而，基于该策略，大多数研究报道的荧光增强因子仅达到1-2个数量级，且拉曼信号严重损失，荧光分子在共振波长的持续激光激发下会发生快速漂白。因此，亟需开发新的技术路线来构建拉曼-荧光双模态增强探针，以同时提高拉曼和荧光信号的灵敏度和光稳定性。

工作介绍

    上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授团队与复旦大学物理系周磊教授团队合作，成功研发了缝隙增强共振拉曼探针。该探针为“核-分子-壳”结构，花瓣状金纳米颗粒为内核，IR780为荧光报告分子，外部包裹银层，在IR780分子所在的缝隙内形成极强的电磁场。该探针已被证明具有单颗粒水平的SERS灵敏度（ACS Appl. Nano Mater. 2020, 3, 7, 6987–6995; J. Mater. Chem. B, 2020, 8, 6944-6955），实验测得荧光增强因子可达1113倍（图1）。

图1. 缝隙增强共振拉曼探针的结构与拉曼-荧光增强性能

    研究发现，该探针极大地提升了荧光报告分子的光稳定性（图2），在激光30分钟持续的共振激发后，依然能保持较强的拉曼和荧光信号。此外，降低激光功率，可以进一步提升探针的光稳定性，即使在50 nW超低功率的激光激发下，探针信号不仅信噪比好，而且在长时间持续激发下拉曼和荧光的信号都保持几乎不变。该测试参数远低于激光安全中对于皮肤最大允许照射量的规定。因此，该探针运用于生物成像具有光毒性小、信号强、光稳定性好等优点，可运用于高采集频率的长时间实时跟踪。

图2. 拉曼-荧光信号的光稳定性

    团队进一步通过实验和模拟对该探针的荧光增强机制进行了研究（图3），发现湿化学合成工艺下制备的金核表面花瓣状结构随机，与外部银壳之间形成的纳米缝隙具有覆盖700-1000 nm波长范围内各种频率的高品质因子共振峰，可以同时显著增强荧光分子的激发能力和辐射效率。据理论计算，该探针结构对其中的IR780分子的荧光增强因子高达2000倍。

图3. 荧光增强机制探究

    以上这些发现将为开发超灵敏、光稳定性好的拉曼-荧光双模态探针用于高效、精准、安全的生物成像提供极具意义的指导。该工作近期发表在Advanced Optical Materials期刊上，题为Ultrahigh Raman-Fluorescence Dual-Enhancement in Nanogaps of Silver-Coated Gold Nanopetals。

关于本文

    上海交通大学生物医学工程学院博士生毕心缘和复旦大学物理系博士生方浙宁为本论文的共同第一作者，上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授和复旦大学物理系周磊教授为共同通讯作者。此工作还得到了国家自然科学基金委、国家重点研发计划、上海市科学技术委员会，上海交通大学、上海市妇科肿瘤重点实验室的支持。

叶坚教授课题组主页：

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