關鍵詞：表面增強拉曼散射（SERS）✍🏻，電磁場👨🏻‍🌾，納米探針🍾🏌🏻，亮度，活體成像

研究背景

在金屬納米粒子上形成硫醇分子的自組裝單分子層 (SAM) 是構築表面增強拉曼散射 (SERS) 納米探針的最常用方法🤚🏽🛟。然而🧗🏼‍♀️，這種方法極大地限製了對金屬納米粒子表面三維電磁場的充分利用，因為 SAM 的厚度（<1 nm）通常遠小於金屬納米粒子表面電磁場的衰減長度（>10 nm）🦄。簡言之，SAM方法存在兩個根本局限性：1）數量限製🙅🏻‍♀️，一個完整的自組裝單層受製於納米粒子的表面積；2）空間限製，SAM長度遠遠小於有效電磁場衰減長度💆‍♂️。因為這些局限性，利用三維電磁場來提升SERS探針的亮度是一個高度挑戰性的科學問題✦。

工作簡介

為了突破SAM方法瓶頸，意昂4体育平台葉堅教授團隊創造了Volume-active SERS (VASERS)技術，該技術通過邁克爾加成反應將硫醇報告分子整合到納米粒子表面的聚合物殼中，通過精細調節報告分子的數量與聚合物殼厚🥚，這樣可以充分利用三維電磁場熱點🛀🏽，大幅度提升了增強拉曼探針的亮度。本工作證明了這種VASERS策略在硫醇報告分子和金屬模板的通用性。利用這種技術，課題組最後發展了超亮的正交VASERS納米探針，實現了高信噪比體內腫瘤靶向和高精度術中腫瘤邊界描繪。VASERS概念的創新與實際應用的完美結合將大大拓展SERS技術在基礎研究與生物醫學領域的應用📁。

該工作近期在The Journal of Physical Chemistry Letters期刊上發表，題為“Boosting the Brightness of Thiolated Surface-Enhanced Raman Scattering Nanoprobes by Maximal Utilization of Three-Dimensional Volume of Electromagnetic Fields”✢。

VASERS探針的亮度比基於SAM方法的探針高出一個數量級

主要內容

1. VASERS技術的原理與探針的設計

圖1.（a）銀納米粒子在等離體激元激發下的電磁場分布示意圖。SAM與VASERS探針的示意圖，TEM圖像（c-d）🔂，強度對比（e）💂🏻‍♂️，以及拉曼光譜（h）。（f-g）VASERS探針亮度與聚合物殼厚的關系🪃。

如圖1a所示，金屬納米粒子表面電磁場的衰減長度>10 nm⚆🧋，遠遠大於SAM 的厚度（<1 nm）。VASERS技術的原理如下👆🏿：通過邁克爾加成反應將硫醇報告分子整合到納米粒子表面的聚合物殼中（圖1b）🧲，通過精細調節報告分子的數量與聚合物殼厚（圖1e-g），這樣可以充分利用3D電磁領域🙋🏻。VASERS技術突破了SAM方法的兩個局限性（圖c-d）🌡👮🏿‍♂️：1）數量限製🍡，一個完整的自組裝單層受製於納米粒子的表面積；2）空間限製，SAM長度遠遠小於有效電磁場衰減長度🤹🏽‍♀️。本課題選取30 nm 銀納米顆粒作為SERS模板，通過打破SAM方法的局限性，最大化利用三維電磁場🧝🏻‍♂️，使得VASERS探針的亮度比SAM探針提高一個數量級（圖1h）。

2. VASERS方法的通用性

通過將VASERS技術用於不同巰基的報告分子🦫，可以普遍實現探針信號的大幅度提升（圖2）。例如🧌，在圖2e中可以發現VASERS探針信號比對應SAM探針提升超過一個數量級（12.5倍）。

圖2. VASERS方法對於不同巰基化分子的應用。

3．基於VASERS探針的腫瘤成像和邊界描繪

圖3. 正交VASERS探針實現腫瘤的高信噪比檢測與術中腫瘤邊界描繪。

如圖3a-b所示，具有沉默區信號（2212 cm^-1）讀出的正交VASERS納米探針用於高信噪比體內腫瘤靶向。此外⛑，VASERS探針實現了高精度術中腫瘤邊界描繪，位於2212 cm^-1振動模式的成像邊界清晰👩‍🏭，信噪比高🔃，能夠與周圍組織清晰地區分開。因此高靈敏度與高信噪比的正交VASERS探針能夠實現活體小鼠腫瘤精準成像與術中腫瘤切除的精確導航。

論文鏈接：

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

作者團隊簡介：

論文第一作者為意昂4体育平台博士後李進🧝🏽，論文通訊作者為意昂4体育平台葉堅教授。該課題組近期還提出了“正交縫隙增強拉曼探針（O-GERTs）”概念👊，解決了SERS探針普遍面臨的背景幹擾與穩定性問題，相關工作發表在Nanophotonics, 2022, 11, 1549和J. Mater. Chem. C, 2022, 10. 7273。

葉堅教授課題組主頁：http://www.yelab.sjtu.edu.cn