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ACS Cent. Sci.:偶氮增强拉曼散射

拉曼散射现象从发现至今已有百年历史。它是无机晶体或有机分子的窄带振动光谱,可从分子层面揭示丰富的结构信息。科学家虽然被拉曼散射的这种魅力吸引,却一直受制于一个问题——拉曼散射截面小、灵敏度低。围绕这个关键问题,研究者们在寻求解决方案的路上,开创了许多不可思议的研究方向,例如表面增强拉曼散射(SERS)、反斯托克斯拉曼散射(CARS)、受激拉曼散射(SRS)和针尖增强拉曼散射(TERS)。上述基于外部环境调控的增强策略(extrinsic enhancing methodology),巧妙而有效的提升了拉曼信号的灵敏度(可达单分子水平)。然而,在实际应用中,这些方法面临各自的挑战:可控制备表面等离基元材料具有一定难度,这限制了拉曼定量表征的重现性与准确性;非线性光学仪器需要昂贵的可调激光与复杂的光学设置,使其无法被研究者广泛使用。因此,大家渴望发现一种基于分子自身结构的拉曼增强新原理、新方法,能够对化学键振动的拉曼信号点石成金。假如这种普适性增强模块能与SERS、CARS、SRS或TERS兼容,将联合分子自身结构与外部环境两方面,共同解决拉曼散射截面小的核心问题。如果拥有了这样的解决方案,拉曼光谱与成像这位故事主角,将更加自由地发挥其魅力——借助分子振动的指纹信息,深入探索复杂体系的未知反应机理。

图1. 偶氮增强拉曼散射的原理示意图。


近期,华中师范大学高婷娟教授(点击查看介绍)研究小组,报道了一种分子内拉曼增强新方法——偶氮增强拉曼散射(Azo-enhanced Raman Scattering, AERS)。这种方法共轭连接偶氮苯与振动基团,增加电子能级与振动能级的耦合程度,红移分子吸收峰至可见区,实现共振拉曼效应,大幅提高拉曼散射强度。同时,偶氮苯顺反异构化导致非辐射能量释放,抑制荧光背景,进一步提高拉曼散射的信噪比。基于这种新原理,作者合成了苯环取代的多炔、多烯与硝基苯、偶氮苯、苯乙腈、苯乙炔等一系列AERS分子,其中心基团的振动模式分别为ν (C≡C), ν (C=C), ν (O‒N=O), ν (CPh‒N), ν (C≡N)和ν (C≡CH)。实验结果显示,偶氮增强拉曼散射具有普适性:对于各类中心基团的化学键振动,偶氮苯作为增强模块,可以提高拉曼特征峰信号2~3个数量级。其中,Azo-3的RIE值高达2.8×104(RIE:相对于标准分子5-乙炔基-2'脱氧尿嘧啶核苷EdU的拉曼信号强度)。它的吸收、荧光与拉曼光谱清晰验证了偶氮增强拉曼散射效应。此外,由于中心基团的振动模式决定了拉曼特征峰频率(涵盖指纹区与基频区1000-2500 cm-1),选择不同AERS分子进行组合式拉曼标记,可以提供多色检测或多色成像功能。

图2. AERS分子不同振动模式的振动频率与偶氮增强拉曼散射强度。


图3. AERS分子Azo-3的吸收、荧光与拉曼光谱性质。


作者采用细胞高灵敏拉曼多色成像的实例,演示了AERS的应用场景。以细胞线粒体靶向探针为例,作者筛选了大量AERS分子,得到了线粒体的六色AERS探针。它们具有良好的水酯两亲性、细胞穿透性、光稳定性与较低的细胞毒性。探针靶向线粒体后,作者使用常规拉曼共聚焦显微镜,mapping后得到清晰的细胞AERS成像,成像质量与荧光成像相当。这是截至目前为止最高质量的基于小分子拉曼探针的自发拉曼散射细胞成像。此外,AERS多色标记的混合细胞解码实验,进一步拓展了应用场景:作者结合拉曼光谱的指纹信息读取,可以准确识别混合细胞中每个细胞对应的特征ID。由于AERS多色成像与多色编码可用于复杂混合体系中多个对象的同时观测,这项技术将为深入研究细胞内与细胞间相互作用,提供新颖、有效的研究工具。

图4. Hela细胞的AERS多色成像。


图5. 混合AERS编码细胞的多色成像。


总结


这项工作通过系统性研究,提出了偶氮增强拉曼散射新方法,并指出:实现这种方法最重要的条件,是偶氮苯与中心基团的共轭连接。满足此项条件后,分子产生光吸收,中心基团化学键的电子激发态与分子振动发生能量共振,激发光的电磁场被高效利用,拉曼散射强度大幅提升。同时,偶氮苯的顺反异构化,抑制电子从激发态跃迁至基态,避免光吸收的能量转化为荧光,荧光背景大幅降低。基于上述两方面机理,偶氮增强拉曼散射可增强信号2-3个数量级。这种新方法、新原理,将为拉曼光谱与成像开拓更广阔的应用前景:分子层面的指纹与结构信息,会更加清晰的展现在我们面前,从而为探索复杂体系未知反应机理提供更有力的证据。此项研究的通讯作者是华中师范大学的唐浴尘高婷娟教授,主要实验由硕士研究生庄永鹏完成。


原文(扫描或长按二维码,识别后直达原文页面,或点此查看原文):

Azo-enhanced Raman Scattering for Enhancing the Sensitivity and Tuning the Frequency of Molecular Vibrations 

Yuchen Tang,* Yongpeng Zhuang, Shaohua Zhang, Zachary J. Smith, Yuee Li, Xijiao Mu, Mengna Li, Caili He, Xingxing Zheng, Fangfang Pan, Tingjuan Gao,* Lizhi Zhang

ACS Cent. Sci., 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00117


导师介绍

高婷娟

https://www.x-mol.com/university/faculty/174971 


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