SERS正在成为一种强大的分析和诊断工具

莱布尼茨光子技术研究所（IPHT）Jürgen Popp教授预测，拉曼光谱技术的检测能力将有助于改善病人护理和公共卫生方案。

拉曼光谱技术及其相关检测方案的新兴应用或将改善病患临床护理的质量，当前面临的许多医学及生物领域的挑战也将因此迎刃而解。

据麦姆斯咨询报道，近日，在SPIE（国际光学工程学会）西部光电展的数字论坛上，莱布尼茨光子技术研究所（IPHT）的Jürgen Popp教授概述了拉曼光谱技术的最新发展，并预测了该技术在实际应用中的发展前景。

Popp教授指出目前仍有四种特定需求仍未得到满足：（1）更实时地监测临床药物疗效；（2）利用光谱法检测病原体而无需标记；（3）更便利地监测水体污染物以改善公共卫生状况；（4）更早地检测到体内细胞聚集以预防中风或心血管疾病。

Popp教授表示：“这四种需求对检测器件的分析能力有一些共同的要求，比如分子特异性分析、检测时间短、在线分析能力、可量化数据的能力、低检测限、最少标记或无标记样品制备等要求，另外，现场或临床应用的能力也同样重要。”

拉曼光谱技术足以满足这些要求，特别是在表面增强拉曼散射（SERS）法中，当其分子指纹光谱的固有特异性与特殊基质或纳米结构产生的等离子体效应相结合的情况下。

科学家们发明的等离子体活性纳米结构，能够作为强大SERS基底，为满足这些需求提供了多种方案。其中，自下而上法（Bottom-up）制备技术可以通过种晶生长法实现复杂形状的纳米结构，而自组织过程和基于模板匹配方法又可以产生特定设计的组件和阵列。另外，区别于其他技术，自上而下法（Top-down）则可以采用电子束光刻或离子蚀刻等技术。

个性化医疗

Popp教授关注的第一项应用是药物疗效的监测。比如在治疗呼吸道或尿路细菌感染时监测药物剂量，做到既保证药效又能将毒性作用降到最低。Popp教授认为，有效的治疗应该针对每位病人进行药物剂量的个性化配制。

Jürgen Popp教授指出：“色谱分析法也可以进行治疗性药物监控，但其样品制备时间过长，仪器成本太高。我们需要一种低成本且能现场分析的方法。”

解决方案之一是将SERS和芯片实验室（LoC）技术结合起来，在LoC内部结构中加入等离子体纳米材料，以获得所需的强化SERS。根据Popp所说，LoC-SERS技术可以得到高重复性的结果，并且能实现高样品通量和自动化处理。
 

SERS与芯片实验室（LoC）技术结合

这项技术已在尿检中测试，检测广谱抗生素左氧氟沙星在人体内的残留量，以避免过量服用药物。

Popp教授感兴趣的第二项应用是无标记病原体检测。Popp描述了SERS技术如何应用于检测破坏性植物病原体栎树猝死病菌（phytophthora ramorum），以及H1N1和柯萨奇病毒等结构更复杂的病毒。利用原子尖点散射的针尖增强拉曼光谱（TERS）原理的新研究策略已被开发，并将应用于研究Covid-19。

“这些研究向单分子灵敏度拉曼光谱的应用迈出了第一步。”Popp评论说：“正确的等离子体结构设计可以帮助我们处理泵、斯托克斯和反斯托克斯散射信号之间的共振，创建表面增强相干反斯托克斯拉曼散射光谱（SECARS）。当整体增强达到最高点时，就能检测单个病毒。”

强大的诊断工具

在很多地方，如何解除水中含有的毒性是迫切需要解决的公共卫生问题。Popp谈及他们在这方面的努力。硫杆菌是检测水中氯碳含量的有效生物标志物，可以通过SERS分析硫杆菌的数量来监测地下水中四氯乙烷（PCE）的含量。

Popp谈到：“硫杆菌的化学成分在不同的培养条件下会发生变化，比如有大量的PCE存在的环境。硫杆菌体内有一种特定的酶，这种酶含有B12辅助因子，其SERS技术可以用于检测PCE的数量，通过这种方式能够验证PCE去除技术的有效性。”

Popp提到的最后一个重点领域涉及人类迫在眉睫的健康问题，即血管中细胞聚集导致动脉粥样硬化或其他心血管疾病。一旦SERS技术能够识别出不同的动脉斑块中存在的不同巨噬细胞或白细胞，我们就能够区分危险斑块与风险较小的积聚区，实现动脉斑块的早期检测。

Popp还说明了使用SERS标记的研究。SERS标记在包裹糖基单体甘露糖的金纳米星上，被巨噬细胞吸收后并入斑块。SERS能够监测这一过程，作为识别动脉粥样硬化情况的途径之一。

Popp最后总结道：“在这四个领域中的研究展现了SERS技术在不同的应用情境中如何结合分子特异性、缩短检测时间、如何简化拉曼光谱技术的运用。SERS正在成为一种强大的分析和诊断工具。”

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