研究背景
随着生物医学成像技术的发展，拉曼光谱技术因其在化学成分分析中的优越性能而引起了科学家的广泛关注。拉曼光谱技术能够通过探测分子内部的非弹性散射光，揭示诸如核酸、蛋白质和脂质等分子的化学信息，从而为细胞的基因型、表型和生理状态提供宝贵的数据。然而，尽管拉曼光谱具有化学选择性强和对光漂白耐受性好的优点，但其固有的低散射截面使得小分子拉曼信号的检测极其低效，限制了其在实际应用中的广泛使用。为了克服这一问题，研究者们提出了表面增强拉曼散射（SERS）技术，通过将小分子拉曼探针吸附在金、银等无机或有机基底表面，利用表面等离子体共振效应显著提高拉曼信号的强度。SERS技术能够将拉曼信号放大高达108至1011倍，从而实现超灵敏的成像。然而，使用这些基底材料时存在的生物安全性问题限制了SERS技术的实际应用范围。因此，如何在不依赖基底的情况下实现高分辨率的体内拉曼成像成为一个长期存在的挑战。为了解决这一问题，上海交通大学肖泽宇教授、复旦大学陆伟教授、中国科学院杭州医学所方晓红研究员合作在“Nature Biotechnology”期刊上发表了题为“Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo”的最新论文。研究者们提出了无基底的SICTERS（堆叠诱导的电荷转移增强拉曼散射）机制。SICTERS机制要求小分子具有π-共轭和层状的平面结构，能够自我堆叠形成有序的空间排列，使得相邻分子之间能够发生三维电荷转移。通过这一机制，研究者们首次在不依赖传统基底的情况下显著增强了拉曼信号。与传统的基底增强方法相比，SICTERS机制下的小分子纳米探针在拉曼散射截面方面表现出明显的优势，且能够进行微肿瘤的术中检测和血管、淋巴管的非侵入性成像。 比较实验表明，SICTERS基于的BBT纳米颗粒的拉曼散射截面达到了1.61 × 10-21 cm2，比MB在有机半导体膜上的截面高670倍，比[34](1,2,4,5)环芳烃高1769倍。进一步的研究显示，SICTERS不仅在体内成像灵敏度、空间分辨率和成像深度上优于SERS，还具备较高的成像深度和灵敏度，这使得SICTERS技术能够进行非侵入性的淋巴引流和微血管的透皮成像，这在现有的SERS技术中尚未实现。
研究亮点
（1）实验首次展示了小分子SICTERS效应，并应用于高灵敏度成像。通过这一机制，小分子在无基底的情况下实现了拉曼散射的显著增强。研究表明，具有π-共轭平面结构的分子能够通过自堆叠形成有序的空间排列，允许相邻分子之间进行三维电荷转移，从而显著提高拉曼散射截面。 （2）实验通过对比SICTERS与传统SERS技术，结果表明SICTERS在拉曼散射截面上优于SERS。具体来说，BBT纳米颗粒的拉曼散射截面为1.61 × 10-21 cm2，比相似粒径的基于SERS的金纳米颗粒高1350倍。SICTERS还在体内成像灵敏度、空间分辨率和成像深度方面表现优异。（3）与SRS和CARS技术相比，SICTERS具有更深的成像深度，能够实现1.2 mm的生物组织成像深度，而SRS/CARS的成像深度通常小于0.4 mm。SICTERS技术的灵敏度达到了1.25 pM，相比于SRS技术中使用的炔烃探针高出108到109倍。SICTERS还能够在术中实现多重成像，例如同时描绘血管和肿瘤，具有较好的应用前景。
图文解读
图2：基于DTBT的平面D-A-D分子的堆叠诱导分子间电荷转移。图3：具有D-A-D结构的小分子DTBT通过堆叠诱导分子间电荷转移（SICTERS）。 图 4: 基于SICTERS的小分子纳米探针与基于SERS的金纳米探针的拉曼散射截面比较。 图5：使用SICTERS纳米探针对原位小鼠结肠肿瘤进行的手术中拉曼成像。 图6：使用基于SICTERS的BBT纳米探针对淋巴引流和血管进行的非侵入性拉曼成像。
总结展望
本文的研究揭示了SICTERS效应在小分子拉曼散射增强中的重要性，与传统的π–π堆叠增强机制相比，SICTERS提供了更显著的拉曼散射截面提升。这一发现突显了三维超分子D-A结构在电荷转移过程中的关键作用，超越了以往的π-π堆叠或分子内部电荷转移的限制。SICTERS技术不仅克服了SERS技术对基底材料的依赖，减少了生物安全性问题，还在体内成像灵敏度、空间分辨率和成像深度方面表现出明显优势。特别是SICTERS的灵敏度和成像深度分别比SRS和CARS技术高出108到109倍，并能够实现对小鼠体内的淋巴结进行非侵入性成像。此外，SICTERS的超窄谱峰特性允许在同一激发波长下实现多重成像，从而提升了术中多重成像的能力。综上所述，SICTERS不仅在无基底拉曼成像领域开辟了新路径，也为未来的生物医学成像技术提供了新的研究方向，尤其是在深层组织成像和多重标记成像方面具有广阔的应用前景。Gao, S., Zhang, Y., Cui, K. et al. Self-stacked small molecules for ultrasensitive, substrate-free Raman imaging in vivo. Nat Biotechnol (2024). https://doi.org/10.1038/s41587-024-02342-9
