拉曼散射現(xiàn)象從發(fā)現(xiàn)至今已有百年歷史。它是無機晶體或有機分子的窄帶振動光譜,可從分子層面揭示豐富的結構信息??茖W家雖然被拉曼散射的這種魅力吸引,卻一直受制于一個問題——拉曼散射截面小、靈敏度低?;谕獠凯h(huán)境調控的增強策略(extrinsic enhancing methodology),巧妙而有效的提升了拉曼信號的靈敏度(可達單分子水平),但在實際應用中面臨一些挑戰(zhàn)。發(fā)展基于分子自身結構的拉曼增強新原理、新方法,將提供一種分子內普適性增強模塊(intrinsic enhancing unit),進一步解決拉曼散射截面小的核心問題。
圖1. 偶氮增強拉曼散射的原理示意圖。
近期,華中師范大學化學學院高高婷娟教授研究小組,在ACS Central Science上報道了一種分子內拉曼增強新方法——偶氮增強拉曼散射(Azo-enhanced Raman Scattering, AERS)。ACS Central Science將該項工作選為First Reactions,邀請相關領域專家發(fā)表評論,評論稱作者“揭示了一種獨特的針對分子振動的偶氮增強拉曼效應”。
這項研究通過共軛連接偶氮苯與振動基團,增加電子能級與振動能級的耦合程度,紅移分子吸收峰至可見區(qū),實現(xiàn)共振拉曼效應,大幅提高拉曼散射強度。同時,偶氮苯順反異構化導致非輻射能量釋放,抑制熒光背景,進一步提高拉曼散射的信噪比?;谶@種新原理,作者合成了苯環(huán)取代的多炔、多烯與硝基苯、偶氮苯、苯乙腈、苯乙炔等一系列AERS分子,其中心基團的振動模式分別為n (CoC), n (C=C),n (O?N=O), n (CPh?N), n (CoN)和n (CoCH)。實驗結果顯示,偶氮增強拉曼散射具有普適性:對于各類中心基團的化學鍵振動,偶氮苯作為增強模塊,可以提高拉曼特征峰信號2~3個數(shù)量級。此外,由于中心基團的振動模式決定了拉曼特征峰頻率(涵蓋指紋區(qū)與基頻區(qū)1000-2500 cm-1),選擇不同AERS分子進行組合式拉曼標記,可以提供多色檢測或多色成像功能。
圖2. Hela細胞的AERS多色成像。
該工作采用細胞高靈敏拉曼多色成像的實例,演示了AERS的應用場景。以細胞線粒體靶向探針為例,作者篩選了大量AERS分子,得到了線粒體的六色AERS探針。它們具有良好的水酯兩親性、細胞穿透性、光穩(wěn)定性與較低的細胞毒性。探針靶向線粒體后,作者使用常規(guī)拉曼共聚焦顯微鏡,mapping后得到清晰的細胞AERS成像,成像質量與熒光成像相當。這是截至目前為止最高質量的基于小分子拉曼探針的自發(fā)拉曼散射細胞成像。此外,AERS多色標記的混合細胞解碼實驗,進一步拓展了應用場景:作者結合拉曼光譜的指紋信息讀取,可以準確識別混合細胞中每個細胞對應的特征ID。由于AERS多色成像與多色編碼可用于多個對象的同時觀測,這項技術將為深入研究復雜體系各介質間的相互作用,提供新穎、有效的研究工具。
圖3. 混合AERS編碼細胞的多色成像。
參考文獻:
Yuchen Tang,* Yongpeng Zhuang, Shaohua Zhang, Zachary J. Smith, Yuee Li, Xijiao Mu, Mengna Li, Caili He, Xingxing Zheng, Fangfang Pan, Tingjuan Gao,* Lizhi Zhang, Azo-enhanced Raman Scattering for Enhancing the Sensitivity and Tuning the Frequency of Molecular Vibrations. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00117.
鏈接:http://https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00117
Shangfeng Wang, Fan Zhang,* Azo Pigments Make Raman Spectral Multiplexing More Sensitive. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00527.
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