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拉曼散射現(xiàn)象從發(fā)現(xiàn)至今已有百年歷史。它是無機(jī)晶體或有機(jī)分子的窄帶振動(dòng)光譜，可從分子層面揭示豐富的結(jié)構(gòu)信息?？茖W(xué)家雖然被拉曼散射的這種魅力吸引，卻一直受制于一個(gè)問題——拉曼散射截面小、靈敏度低?；谕獠凯h(huán)境調(diào)控的增強(qiáng)策略（extrinsic enhancing methodology），巧妙而有效的提升了拉曼信號(hào)的靈敏度（可達(dá)單分子水平），但在實(shí)際應(yīng)用中面臨一些挑戰(zhàn)。發(fā)展基于分子自身結(jié)構(gòu)的拉曼增強(qiáng)新原理、新方法，將提供一種分子內(nèi)普適性增強(qiáng)模塊（intrinsic enhancing unit），進(jìn)一步解決拉曼散射截面小的核心問題。

圖1. 偶氮增強(qiáng)拉曼散射的原理示意圖。

近期，華中師范大學(xué)化學(xué)學(xué)院高高婷娟教授研究小組，在ACS Central Science上報(bào)道了一種分子內(nèi)拉曼增強(qiáng)新方法——偶氮增強(qiáng)拉曼散射(Azo-enhanced Raman Scattering, AERS)。ACS Central Science將該項(xiàng)工作選為First Reactions，邀請(qǐng)相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜野l(fā)表評(píng)論，評(píng)論稱作者“揭示了一種獨(dú)特的針對(duì)分子振動(dòng)的偶氮增強(qiáng)拉曼效應(yīng)”。

這項(xiàng)研究通過共軛連接偶氮苯與振動(dòng)基團(tuán)，增加電子能級(jí)與振動(dòng)能級(jí)的耦合程度，紅移分子吸收峰至可見區(qū)，實(shí)現(xiàn)共振拉曼效應(yīng)，大幅提高拉曼散射強(qiáng)度。同時(shí)，偶氮苯順反異構(gòu)化導(dǎo)致非輻射能量釋放，抑制熒光背景，進(jìn)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(tuán)的振動(dòng)模式分別為n (CoC), n (C=C)，n (O?N=O), n (C_Ph?N), n (CoN)和n (CoC_H)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，偶氮增強(qiáng)拉曼散射具有普適性：對(duì)于各類中心基團(tuán)的化學(xué)鍵振動(dòng)，偶氮苯作為增強(qiáng)模塊，可以提高拉曼特征峰信號(hào)2~3個(gè)數(shù)量級(jí)。此外，由于中心基團(tuán)的振動(dòng)模式?jīng)Q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(jìn)行組合式拉曼標(biāo)記，可以提供多色檢測或多色成像功能。

圖2. Hela細(xì)胞的AERS多色成像。

該工作采用細(xì)胞高靈敏拉曼多色成像的實(shí)例，演示了AERS的應(yīng)用場景。以細(xì)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(xì)胞穿透性、光穩(wěn)定性與較低的細(xì)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(xì)胞AERS成像，成像質(zhì)量與熒光成像相當(dāng)。這是截至目前為止最高質(zhì)量的基于小分子拉曼探針的自發(fā)拉曼散射細(xì)胞成像。此外，AERS多色標(biāo)記的混合細(xì)胞解碼實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步拓展了應(yīng)用場景：作者結(jié)合拉曼光譜的指紋信息讀取，可以準(zhǔn)確識(shí)別混合細(xì)胞中每個(gè)細(xì)胞對(duì)應(yīng)的特征ID。由于AERS多色成像與多色編碼可用于多個(gè)對(duì)象的同時(shí)觀測，這項(xiàng)技術(shù)將為深入研究復(fù)雜體系各介質(zhì)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(xì)胞的多色成像。

參考文獻(xiàn)：

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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