金属纳米颗粒与目标分子之间的长程相互作用示意图。图片来源：Takeo Minamikawa、Reiko Sakaguchi、Yoshinori Harada、Hiroki Tanioka、Sota Inoue、Hideharu Hase、Yasuo Mori、Tetsuro Takamatsu、Yu Yamasaki、Yukihiro Morimoto、Masahiro Kawasaki 和 Mitsuo Kawasaki
大阪大学的研究人员开发出了一种新方法，利用密集随机阵列的银纳米岛和保护性二氧化硅层来增强荧光和拉曼光谱信号。
这一突破显著增强了在不损害细胞的情况下的检测能力，为环境监测和医学诊断提供了潜在的应用。
先进的光谱技术如今，生物学家可以利用传统光学显微镜以外的工具来探索活细胞内部的复杂结构。荧光和拉曼光谱等技术已成为非侵入性监测生物过程的必备技术。
这些方法使用光源（通常是激光）来刺激荧光中的电子跃迁或拉曼光谱中的分子振动。
此前已知的分子与等离子体之间的短程相互作用与本研究揭示的长程相互作用的对比。图片来源：Takeo Minamikawa
当前光谱方法面临的挑战尽管这些技术很有用，但它们也面临挑战。荧光标签会干扰正常的细胞功能，而拉曼信号通常非常弱。增加激光的功率或曝光时间来增强信号可能会损害敏感的生物分子。
为了克服这个问题，研究人员开发了这些方法的表面增强版本，使用金属基底或纳米结构来放大信号。然而，这些增强也可能对细胞完整性构成风险。
信号增强方面的突破现在，大阪大学的科学家在 10 月 28 日发表在《光：科学与应用》杂志上的一项研究中描述了一种使用密集随机阵列的银纳米岛来远程增强荧光和拉曼信号的新方法。
分析物分子与金属结构之间采用 100 纳米厚的柱状结构二氧化硅层隔开。该层足够厚，可以保护被研究的分子，但同时又足够薄，可以让金属层中的集体电磁振荡（称为等离子体）增强光谱信号。
“我们证明了等离子体在金属中的影响范围可以超过 100 纳米，远远超出了传统理论的预测。”主要作者 Takeo Minamikawa 指出。
通过长程分子-等离子体相互作用实现高度灵敏的分子检测，具有化学稳定性和机械鲁棒性。图片来源：Takeo Minamikawa、Reiko Sakaguchi、Yoshinori Harada、Hiroki Tanioka、Sota Inoue、Hideharu Hase、Yasuo Mori、Tetsuro Takamatsu、Yu Yamasaki、Yukihiro Morimoto、Masahiro Kawasaki 和 Mitsuo Kawasaki
对生物传感技术的影响研究人员表示，使用这些生物相容性传感器基底可以将信号提高惊人的一千万倍。此外，由于金属纳米结构永远不会与被研究的分子直接接触，因此它们非常适合常规方法可能损坏的生物系统。
资深作者 Mitsuo Kawasaki 强调：“我们基质的化学稳定性和机械强度使其适用于广泛的应用，包括环境污染物检测或医学诊断。”
此外，传感器基板可以使用溅射薄膜制造技术快速大规模生产。因此，在工业和医疗保健环境中部署新型生物传感设备时，成本会更低。
参考文献：“利用柱状结构二氧化硅覆盖层保护的银纳米岛对荧光和拉曼光谱进行远程增强”作者：Takeo Minamikawa、Reiko Sakaguchi、Yoshinori Harada、Hiroki Tanioka、Sota Inoue、Hideharu Hase、Yasuo Mori、Tetsuro Takamatsu、Yu Yamasaki ，Yukihiro Morimoto、Masahiro Kawasaki 和 Mitsuo Kawasaki，2024 年 10 月 28 日，光：科学与应用。DOI：10.1038/s41377-024-01655-3
来源：长春光学研究所光电子出版中心
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