即使是最小的分子也能讲述一个大故事。例如，观察单个分子可以揭示人体潜在的生物过程。事实上，无创和无痛的分子成像程序正被用于癌症、心脏病和其他严重健康状况的诊断和管理。
单分子成像最有前途的技术之一是表面增强拉曼光谱或SERS。通过将激光束聚焦在样品上，SERS可以根据分子的散射光检测分子的变化，并可以通过其独特的拉曼光谱识别特定的分子：分子指纹。SERS的一个优点是它是非破坏性的，只需要最少的样品制备，因为它不需要添加化学物质或修改来进行测量。
在最近发表在《高级材料》杂志上的一项研究中，约翰霍普金斯惠廷工程学院的工程师描述了一种新型纳米材料，它可以利用SERS进行快速、高灵敏度的单分子检测。他们的发明可以为快速和更准确的诊断测试铺平道路。
为了创造他们的新材料，称为拉曼光信标或DNA-STROBE的DNA硅化模板，由机械工程副教授伊山巴曼领导的团队设计了一个只有几纳米或更小的光学腔。在SERS成像中，这些等离子体腔通过将电磁辐射转换成电子波来“捕获”光束。巴曼的微等离子体纳米腔指数增加了捕获的电磁能量的密度，这使得在超低浓度下实现定量生物分子成像成为可能。
“SERS测量的有效性取决于纳米探针的结构和可重复性。如果设计和实现成功，我们的DNA-STROBE结构将提供实时、单分子和无标记的光学传感，这是任何现有技术几乎不可能实现的，”本文的对应作者巴曼说。
这项研究的合著者包括乐亮和郑鹏，他们都是约翰霍普金斯惠廷工程学院的博士后研究人员。
根据巴曼的说法，SERS测量可以在纳米尺度上提供前所未有的洞察力，这对于传统的成像方法来说仍然是一项具有挑战性的工作。SERS信号的强度取决于纳米级间隙的大小，这被称为“热点”。因为这些纳米腔限制了光能，间隙越小，SERS信号越高。然而，他解释说，以可编程和可重复的方式制造这种小尺寸的纳米腔极其困难(并且昂贵)。
研究小组转向DNA纳米技术寻找答案。该团队以DNA为支架，构建了一个大小合适的合成纳米腔，成为热点。但考虑到DNA的弹性，特别是其折叠和弯曲倾向，DNA-STROBE结构的大小可能会发生变化，可能会削弱SERS信号。因此，研究小组用保护性超薄二氧化硅外壳封装了DNA-STROBE结构，以防止这种波动。
该研究报告了两项重要发现。首先，研究人员已经表明，他们可以制造具有良好控制和大SERS信号电磁增强的超小纳米腔。其次，他们的方法允许在具有高分子浓度的生物样品中进行单分子研究，这是先前研究的障碍。
“我们很高兴地观察到，DNA-STROBE增强了拉曼信号，这对于实时传感和超分辨率成像来说足够强大。这肯定会为SERS分析开辟一条新的途径，特别是当在传感和成像中添加造影剂和染料是不可取或不切实际的时候，”梁说。
研究人员表示，下一步将为一系列应用开发一套定制的DNA-STROBE衍生分析工具。例如，该团队认为，他们的方法为循环癌症生物标志物的超敏感检测提供了最先进的平台。
巴曼补充说：“通过适当的定制，DNA-STROBE可以在从临床诊断和基础生物医学研究到环境传感和单分子操作的广泛领域取得进展。”
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