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拉曼散射現象從發現至今已有百年歷史。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。科學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。基于外部環境調控的增強策略（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。發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，實現共振拉曼效應，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個數量級。此外，由于中心基團的振動模式決定了拉曼特征峰頻率（涵蓋指紋區與基頻區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、光穩定性與較低的細胞毒性。探針靶向線粒體后，作者使用常規拉曼共聚焦顯微鏡，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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