上海交大团队用拉曼光谱助力分子定量检测

中国青年报客户端讯（中青报·中青网记者  王烨捷）4月17日，国际顶级期刊Nature（《自然》）在线发表了题为“Digital colloid-enhanced Raman spectroscopy by single-molecule counting”（通过单分子计数进行数字胶体增强拉曼光谱定量检测）的研究论文。该研究针对表面增强拉曼光谱领域内定量的挑战，系统阐述了基于数字胶体增强拉曼光谱（digital colloid-enhanced Raman spectroscopy, dCERS）的定量技术。基于单分子计数，dCERS成功实现了超低浓度目标分子的可靠定量检测，为表面增强拉曼光谱技术的普遍应用奠定了重要基础。

本文的第一作者为上海交通大学生物医学工程学院致远荣誉计划博士研究生毕心缘，通讯作者为叶坚教授。作为资深作者，邵志峰教授在基本概念、数据解析以及文章的凝练、修改等方面做出了关键贡献。Daniel M. Czajkowsky教授也对数据的物理原理与文章修改做出了重要贡献。上海交通大学是论文的唯一完成单位和通讯单位。

拉曼散射（Raman scattering）是Chandrasekhara Venkata Raman于1928年发现的一种指纹式的、具有分子结构特异性的非弹性散射光谱，并获得了1930年颁发的诺贝尔物理学奖。通过拉曼谱峰可以直接判断对应的分子结构，进而识别具体的分子的类型。该技术具有无需标记的优势，使其在物理、化学、生物、地质、医学、国防和公共安全等各个领域均具有重要的应用价值。

拉曼信号通常比较弱，因此增强其信号就变得非常有必要。表面增强拉曼光谱（surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）源于1974年英国南安普敦大学化学系Martin Fleischmann等人的一个重要实验。1997年SERS迎来了里程碑的事件——单分子SERS检测的实现。自此，SERS技术被认为有希望使得拉曼光谱第二次获得诺贝尔奖。

但是，随着SERS研究的不断深入，人们发现在低浓度检测时，拉曼信号强度存在极大的不可重复性。因此，具有单分子检测的灵敏度并不意味着超灵敏定量的实现。换言之，获得更高的增强因子只是实现SERS高灵敏定量检测的必要条件，而只有实现了具有可重复性的测量，SERS技术才具有实际应用与大规模推广的能力。这一困扰拉曼领域几十年的难题，难以在现有的技术框架中得到圆满解决。

上海交通大学生物医学工程学院叶坚教授和邵志峰教授团队发明了数字胶体增强拉曼光谱（dCERS），利用胶体纳米颗粒，可以实现较高效率的单分子检测。通过该单分子计数的方式可以实现对多种分子（如染料分子、代谢小分子、核酸、蛋白）的定量检测。其中，dCERS技术所采用的胶体颗粒的合成步骤简单，易于放大生产，在应用中，可以方便地取出每个批次的少量颗粒来针对具体的目标分子预先建立标准曲线，从而可以可靠地用于后续未知浓度样本的定量。

为了确立dCERS在实际测量中的潜力，该团队选取了百草枯和福美双作为展示实例。百草枯是一种高效、剧毒的除草剂，可以诱导帕金森氏病的发生，目前已有32个国家严格禁止其使用。福美双是一种含硫剧毒杀真菌剂，被欧盟归为二类致癌物。因此，超高灵敏度的、准确可靠的定量检测技术对于这些分子的检测非常重要，尤其是致癌物，原则上不存在安全剂量。

选取普通的湖水作为背景并混入微量的百草枯，该团队成功实现了低于欧盟最大残留量规定三个数量级的检测灵敏度。对于福美双，该团队选取了实验室培养的豆芽提取液，达到了优于质谱五个数量级的检测灵敏度。他们证明了，通过系列稀释的方法，检测中的背景干扰可以得到完美的抑制，从而实现准确的靶分子浓度的测量。而dCERS的超高灵敏度和可靠的统计分布是实现这些定量测量的关键基础。

这项研究展示了dCERS技术基于单分子计数实现了超低浓度目标分子在未知复杂背景中的可重复性定量，无需使用任何目标分子的特定标记。由于不同的目标分子大多具有独特的SERS光谱，dCERS可以实现多种不同分子的同时定量检测，因此具有很好的应用前景。另外，本工作使用的胶体纳米颗粒可以方便地进行大规模生产和制备，而检测方法相对简单，因此，dCERS有望进一步推动高灵敏检测技术的变革和进步。

今年刚好是发现SERS技术的50周年，随着dCERS技术的进一步成熟，dCERS在生命科学、临床医学、环境保护、食品检测、国防与公共安全以及基础研究等领域有望得到广泛应用。