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拉曼散射現(xiàn)象從發(fā)現(xiàn)至今已有百年歷史。它是無機晶體或有機分子的窄帶振動光譜，可從分子層面揭示豐富的結構信息?？茖W家雖然被拉曼散射的這種魅力吸引，卻一直受制于一個問題——拉曼散射截面小、靈敏度低?；谕獠凯h(huán)境調(diào)控的增強策略（extrinsic enhancing methodology），巧妙而有效的提升了拉曼信號的靈敏度（可達單分子水平），但在實際應用中面臨一些挑戰(zhàn)。發(fā)展基于分子自身結構的拉曼增強新原理、新方法，將提供一種分子內(nèi)普適性增強模塊（intrinsic enhancing unit），進一步解決拉曼散射截面小的核心問題。

圖1. 偶氮增強拉曼散射的原理示意圖。

近期，華中師范大學化學學院高高婷娟教授研究小組，在ACS Central Science上報道了一種分子內(nèi)拉曼增強新方法——偶氮增強拉曼散射(Azo-enhanced Raman Scattering, AERS)。ACS Central Science將該項工作選為First Reactions，邀請相關領域專家發(fā)表評論，評論稱作者“揭示了一種獨特的針對分子振動的偶氮增強拉曼效應”。

這項研究通過共軛連接偶氮苯與振動基團，增加電子能級與振動能級的耦合程度，紅移分子吸收峰至可見區(qū)，實現(xiàn)共振拉曼效應，大幅提高拉曼散射強度。同時，偶氮苯順反異構化導致非輻射能量釋放，抑制熒光背景，進一步提高拉曼散射的信噪比。基于這種新原理，作者合成了苯環(huán)取代的多炔、多烯與硝基苯、偶氮苯、苯乙腈、苯乙炔等一系列AERS分子，其中心基團的振動模式分別為n (CoC), n (C=C)，n (O?N=O), n (C_Ph?N), n (CoN)和n (CoC_H)。實驗結果顯示，偶氮增強拉曼散射具有普適性：對于各類中心基團的化學鍵振動，偶氮苯作為增強模塊，可以提高拉曼特征峰信號2~3個數(shù)量級。此外，由于中心基團的振動模式?jīng)Q定了拉曼特征峰頻率（涵蓋指紋區(qū)與基頻區(qū)1000-2500 cm^-1），選擇不同AERS分子進行組合式拉曼標記，可以提供多色檢測或多色成像功能。

圖2. Hela細胞的AERS多色成像。

該工作采用細胞高靈敏拉曼多色成像的實例，演示了AERS的應用場景。以細胞線粒體靶向探針為例，作者篩選了大量AERS分子，得到了線粒體的六色AERS探針。它們具有良好的水酯兩親性、細胞穿透性、光穩(wěn)定性與較低的細胞毒性。探針靶向線粒體后，作者使用常規(guī)拉曼共聚焦顯微鏡，mapping后得到清晰的細胞AERS成像，成像質量與熒光成像相當。這是截至目前為止最高質量的基于小分子拉曼探針的自發(fā)拉曼散射細胞成像。此外，AERS多色標記的混合細胞解碼實驗，進一步拓展了應用場景：作者結合拉曼光譜的指紋信息讀取，可以準確識別混合細胞中每個細胞對應的特征ID。由于AERS多色成像與多色編碼可用于多個對象的同時觀測，這項技術將為深入研究復雜體系各介質間的相互作用，提供新穎、有效的研究工具。

 圖3. 混合AERS編碼細胞的多色成像。

參考文獻：

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, Azo-enhanced Raman Scattering for Enhancing the Sensitivity and Tuning the Frequency of Molecular Vibrations. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00117.

鏈接：http://https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c00117

Shangfeng Wang, Fan Zhang,^* Azo Pigments Make Raman Spectral Multiplexing More Sensitive. ACS Central Science, 2021, DOI: 10.1021/acscentsci.1c00527.

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