萊布尼茨光子技術研究所（IPHT）Jürgen Popp教授預測，拉曼光譜技術的檢測能力將有助于改善病人護理和公共衛(wèi)生方案。

拉曼光譜技術及其相關檢測方案的新興應用或?qū)⒏纳撇』寂R床護理的質(zhì)量，當前面臨的許多醫(yī)學及生物領域的挑戰(zhàn)也將因此迎刃而解。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，在SPIE（國際光學工程學會）西部光電展的數(shù)字論壇上，萊布尼茨光子技術研究所（IPHT）的Jürgen Popp教授概述了拉曼光譜技術的最新發(fā)展，并預測了該技術在實際應用中的發(fā)展前景。

Popp教授指出目前仍有四種特定需求仍未得到滿足：（1）更實時地監(jiān)測臨床藥物療效；（2）利用光譜法檢測病原體而無需標記；（3）更便利地監(jiān)測水體污染物以改善公共衛(wèi)生狀況；（4）更早地檢測到體內(nèi)細胞聚集以預防中風或心血管疾病。

Popp教授表示：“這四種需求對檢測器件的分析能力有一些共同的要求，比如分子特異性分析、檢測時間短、在線分析能力、可量化數(shù)據(jù)的能力、低檢測限、最少標記或無標記樣品制備等要求，另外，現(xiàn)場或臨床應用的能力也同樣重要?！?br />
拉曼光譜技術足以滿足這些要求，特別是在表面增強拉曼散射（SERS）法中，當其分子指紋光譜的固有特異性與特殊基質(zhì)或納米結構產(chǎn)生的等離子體效應相結合的情況下。

科學家們發(fā)明的等離子體活性納米結構，能夠作為強大SERS基底，為滿足這些需求提供了多種方案。其中，自下而上法（Bottom-up）制備技術可以通過種晶生長法實現(xiàn)復雜形狀的納米結構，而自組織過程和基于模板匹配方法又可以產(chǎn)生特定設計的組件和陣列。另外，區(qū)別于其他技術，自上而下法（Top-down）則可以采用電子束光刻或離子蝕刻等技術。

個性化醫(yī)療

Popp教授關注的第一項應用是藥物療效的監(jiān)測。比如在治療呼吸道或尿路細菌感染時監(jiān)測藥物劑量，做到既保證藥效又能將毒性作用降到最低。Popp教授認為，有效的治療應該針對每位病人進行藥物劑量的個性化配制。

Jürgen Popp教授指出：“色譜分析法也可以進行治療性藥物監(jiān)控，但其樣品制備時間過長，儀器成本太高。我們需要一種低成本且能現(xiàn)場分析的方法。”

解決方案之一是將SERS和芯片實驗室（LoC）技術結合起來，在LoC內(nèi)部結構中加入等離子體納米材料，以獲得所需的強化SERS。根據(jù)Popp所說，LoC-SERS技術可以得到高重復性的結果，并且能實現(xiàn)高樣品通量和自動化處理。

SERS與芯片實驗室（LoC）技術結合

這項技術已在尿檢中測試，檢測廣譜抗生素左氧氟沙星在人體內(nèi)的殘留量，以避免過量服用藥物。

Popp教授感興趣的第二項應用是無標記病原體檢測。Popp描述了SERS技術如何應用于檢測破壞性植物病原體櫟樹猝死病菌（phytophthora ramorum），以及H1N1和柯薩奇病毒等結構更復雜的病毒。利用原子尖點散射的針尖增強拉曼光譜（TERS）原理的新研究策略已被開發(fā)，并將應用于研究Covid-19。

“這些研究向單分子靈敏度拉曼光譜的應用邁出了第一步。”Popp評論說：“正確的等離子體結構設計可以幫助我們處理泵、斯托克斯和反斯托克斯散射信號之間的共振，創(chuàng)建表面增強相干反斯托克斯拉曼散射光譜（SECARS）。當整體增強達到最高點時，就能檢測單個病毒。”

強大的診斷工具

在很多地方，如何解除水中含有的毒性是迫切需要解決的公共衛(wèi)生問題。Popp談及他們在這方面的努力。硫桿菌是檢測水中氯碳含量的有效生物標志物，可以通過SERS分析硫桿菌的數(shù)量來監(jiān)測地下水中四氯乙烷（PCE）的含量。

Popp談到：“硫桿菌的化學成分在不同的培養(yǎng)條件下會發(fā)生變化，比如有大量的PCE存在的環(huán)境。硫桿菌體內(nèi)有一種特定的酶，這種酶含有B12輔助因子，其SERS技術可以用于檢測PCE的數(shù)量，通過這種方式能夠驗證PCE去除技術的有效性。”

Popp提到的最后一個重點領域涉及人類迫在眉睫的健康問題，即血管中細胞聚集導致動脈粥樣硬化或其他心血管疾病。一旦SERS技術能夠識別出不同的動脈斑塊中存在的不同巨噬細胞或白細胞，我們就能夠區(qū)分危險斑塊與風險較小的積聚區(qū)，實現(xiàn)動脈斑塊的早期檢測。

Popp還說明了使用SERS標記的研究。SERS標記在包裹糖基單體甘露糖的金納米星上，被巨噬細胞吸收后并入斑塊。SERS能夠監(jiān)測這一過程，作為識別動脈粥樣硬化情況的途徑之一。

Popp最后總結道：“在這四個領域中的研究展現(xiàn)了SERS技術在不同的應用情境中如何結合分子特異性、縮短檢測時間、如何簡化拉曼光譜技術的運用。SERS正在成為一種強大的分析和診斷工具。”

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