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上海交通大学叶坚教授团队利用三维电磁场大幅度提升表面增强拉曼散射探针的亮度
发布时间:2022-07-16 21:54:00

关键词:表面增强拉曼散射(SERS),电磁场,纳米探针,亮度,活体成像


研究背景

在金属纳米粒子上形成硫醇分子的自组装单分子层 (SAM) 是构筑表面增强拉曼散射 (SERS) 纳米探针的最常用方法。然而,这种方法极大地限制了对金属纳米粒子表面三维电磁场的充分利用,因为 SAM 的厚度(<1 nm)通常远小于金属纳米粒子表面电磁场的衰减长度(>10 nm)。简言之,SAM方法存在两个根本局限性:1)数量限制,一个完整的自组装单层受制于纳米粒子的表面积;2)空间限制,SAM长度远远小于有效电磁场衰减长度。因为这些局限性,利用三维电磁场来提升SERS探针的亮度是一个高度挑战性的科学问题。

工作简介

为了突破SAM方法瓶颈,yl8cc永利叶坚教授团队创造了Volume-active SERS (VASERS)技术,该技术通过迈克尔加成反应将硫醇报告分子整合到纳米粒子表面的聚合物壳中,通过精细调节报告分子的数量与聚合物壳厚,这样可以充分利用三维电磁场热点,大幅度提升了增强拉曼探针的亮度。本工作证明了这种VASERS策略在硫醇报告分子和金属模板的通用性。利用这种技术,课题组最后发展了超亮的正交VASERS纳米探针,实现了高信噪比体内肿瘤靶向和高精度术中肿瘤边界描绘。VASERS概念的创新与实际应用的完美结合将大大拓展SERS技术在基础研究与生物医学领域的应用。

该工作近期在The Journal of Physical Chemistry Letters期刊上发表,题为“Boosting the Brightness of Thiolated Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoprobes by Maximal Utilization of Three-Dimensional Volume of Electromagnetic Fields”。


VASERS探针的亮度比基于SAM方法的探针高出一个数量级

主要内容

1. VASERS技术的原理与探针的设计


图1.(a)银纳米粒子在等离体激元激发下的电磁场分布示意图。SAM与VASERS探针的示意图,TEM图像(c-d),强度对比(e),以及拉曼光谱(h)。(f-g)VASERS探针亮度与聚合物壳厚的关系。


如图1a所示,金属纳米粒子表面电磁场的衰减长度>10 nm,远远大于SAM 的厚度(<1 nm)。VASERS技术的原理如下:通过迈克尔加成反应将硫醇报告分子整合到纳米粒子表面的聚合物壳中(图1b),通过精细调节报告分子的数量与聚合物壳厚(图1e-g),这样可以充分利用3D电磁领域。VASERS技术突破了SAM方法的两个局限性(图c-d):1)数量限制,一个完整的自组装单层受制于纳米粒子的表面积;2)空间限制,SAM长度远远小于有效电磁场衰减长度。本课题选取30 nm 银纳米颗粒作为SERS模板,通过打破SAM方法的局限性,最大化利用三维电磁场,使得VASERS探针的亮度比SAM探针提高一个数量级(图1h)。


2. VASERS方法的通用性


通过将VASERS技术用于不同巯基的报告分子,可以普遍实现探针信号的大幅度提升(图2)。例如,在图2e中可以发现VASERS探针信号比对应SAM探针提升超过一个数量级(12.5倍)。



图2. VASERS方法对于不同巯基化分子的应用。


3.基于VASERS探针的肿瘤成像和边界描绘


图3. 正交VASERS探针实现肿瘤的高信噪比检测与术中肿瘤边界描绘。


如图3a-b所示,具有沉默区信号(2212 cm-1)读出的正交VASERS纳米探针用于高信噪比体内肿瘤靶向。此外,VASERS探针实现了高精度术中肿瘤边界描绘,位于2212 cm-1振动模式的成像边界清晰,信噪比高,能够与周围组织清晰地区分开。因此高灵敏度与高信噪比的正交VASERS探针能够实现活体小鼠肿瘤精准成像与术中肿瘤切除的精确导航。


论文链接

https://doi.org/10.1021/acs.jpclett.2c01741

作者团队简介:

论文第一作者为yl8cc永利博士后李进,论文通讯作者为yl8cc永利叶坚教授。该课题组近期还提出了“正交缝隙增强拉曼探针(O-GERTs)”概念,解决了SERS探针普遍面临的背景干扰与稳定性问题,相关工作发表在Nanophotonics, 2022, 11, 1549和J. Mater. Chem. C, 2022, 10. 7273。


叶坚教授课题组主页:http://www.yelab.sjtu.edu.cn