仪器情报，科学家实现对血液和淋巴血管进行无创的拉曼成像新技术！

【科学背景】

拉曼光谱技术作为一种高分辨率的分析工具，已广泛应用于化学、材料和生物医学科学中，其通过检测小分子的不弹性光散射来提供化学信息。尽管拉曼光谱技术具有优良的化学选择性和稳定性，但其固有的散射效应效率极低，通常在10-28到10-30 cm2的范围内，这限制了其在实际应用中的灵敏度和有效性。为提高信号强度，表面增强拉曼散射（SERS）技术被引入，通过将小分子拉曼探针吸附在无机或有机基底上来实现信号放大。然而，基底材料的生物安全性问题限制了SERS在生物体内的广泛应用。

针对这一挑战，复旦大学陆伟教授、上海交通大学Zeyu Xiao和国科大杭州高等研究院方晓红研究员合作提出了堆叠诱导的电荷转移增强拉曼散射（SICTERS）机制。这一新机制不依赖于基底材料，而是通过小分子的自堆叠形成有序的三维空间结构，允许分子间的电荷转移在多个方向上自由进行。

研究表明，与传统的SERS技术相比，SICTERS基于的小分子纳米探针在拉曼散射截面上表现出显著的增强，能够实现对微肿瘤的术中检测和对血管及淋巴管的非侵入性成像。SICTERS技术不仅克服了基底材料的安全性问题，还在体内成像的灵敏度、空间分辨率和成像深度方面超越了现有的SERS技术和其他拉曼成像技术，如刺激拉曼散射（SRS）和相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）。这些进展标志着SICTERS在生物医学成像领域的潜力和应用前景。

【科学亮点】

1.实验首次提出了SICTERS效应，用于小分子的无基底拉曼散射增强。通过这一新机制，小分子在不依赖传统金属或半导体基底的情况下，展示了显著的拉曼散射增强。

2. 实验结果：

机制验证：SICTERS效应利用小分子的π-共轭平面结构和自堆叠形成的有序空间排列，实现了邻近分子之间的三维电荷转移。这种结构显著提高了拉曼散射的截面。与以往通过π-π堆叠实现的增强效果相比，SICTERS表现出更高的拉曼截面。

结果对比：实验对比了SICTERS与传统的SERS技术。结果表明，SICTERS基于BBT纳米颗粒的拉曼散射截面高达1.61 × 10-21 cm2，明显高于基于有机半导体膜的MB（2.4 × 10-24 cm2 sr-1）和[34](1,2,4,5)环芳烃（9.1 × 10-25 cm2）。这一巨大增强证明了SICTERS在提高拉曼散射截面方面的有效性。

成像性能：SICTERS技术在体内成像中的灵敏度、空间分辨率和成像深度都优于传统SERS技术，能够实现高分辨率的非侵入性透皮成像。SICTERS的成像深度达到1.2 mm，显著高于CARS/SRS技术的0.4 mm限制。通过对比，SICTERS在淋巴引流和微血管成像方面展现了更强的能力。

应用前景：SICTERS技术可用于术中多重成像，不依赖基底且具备较高的灵敏度和成像深度。尽管SICTERS的成像深度尚不足以穿透人类皮肤，但其在术前PET/MRI和术中SICTERS成像的结合，将有助于实现精准的疾病诊断和手术引导。

【科学图文】

图1：聚集增强小分子拉曼散射效应。

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：原位小鼠结肠肿瘤的SICTERS术中拉曼成像。

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。

【科学结论】

本文揭示了小分子在无基底情况下通过SICTERS机制实现拉曼散射增强的潜力，与传统的SERS技术相比具有显著优势。SICTERS通过小分子间的三维电荷转移效应，克服了传统拉曼散射中低效率的问题，展现出远高于现有技术的拉曼散射截面。与SERS相比，SICTERS不仅避免了基底材料的生物安全性问题，还在灵敏度、成像深度和空间分辨率方面表现优异。SICTERS技术能够非侵入性地实现高分辨率的体内成像，特别是在肿瘤和淋巴管的成像应用中具有显著的优势。此外，SICTERS的优越性能超越了现有的SRS和CARS技术，显示出更高的检测灵敏度和成像深度。未来，SICTERS技术有望在疾病早期检测和术中精准成像中发挥重要作用，进一步推动拉曼成像技术在生物医学领域的应用。

参考文献：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