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

拉曼光譜技術(shù)及其相關(guān)檢測(cè)方案的新興應(yīng)用或?qū)⒏纳撇』寂R床護(hù)理的質(zhì)量，當(dāng)前面臨的許多醫(yī)學(xué)及生物領(lǐng)域的挑戰(zhàn)也將因此迎刃而解。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，在SPIE（國(guó)際光學(xué)工程學(xué)會(huì)）西部光電展的數(shù)字論壇上，萊布尼茨光子技術(shù)研究所（IPHT）的Jürgen Popp教授概述了拉曼光譜技術(shù)的最新發(fā)展，并預(yù)測(cè)了該技術(shù)在實(shí)際應(yīng)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(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)臨床藥物療效；（2）利用光譜法檢測(cè)病原體而無(wú)需標(biāo)記；（3）更便利地監(jiān)測(cè)水體污染物以改善公共衛(wèi)生狀況；（4）更早地檢測(cè)到體內(nèi)細(xì)胞聚集以預(yù)防中風(fēng)或心血管疾病。

Popp教授表示：“這四種需求對(duì)檢測(cè)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(cè)時(shí)間短、在線分析能力、可量化數(shù)據(jù)的能力、低檢測(cè)限、最少標(biāo)記或無(wú)標(biāo)記樣品制備等要求，另外，現(xiàn)場(chǎng)或臨床應(yīng)用的能力也同樣重要。”

拉曼光譜技術(shù)足以滿足這些要求，特別是在表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）法中，當(dāng)其分子指紋光譜的固有特異性與特殊基質(zhì)或納米結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的等離子體效應(yīng)相結(jié)合的情況下。

科學(xué)家們發(fā)明的等離子體活性納米結(jié)構(gòu)，能夠作為強(qiáng)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(shù)可以通過(guò)種晶生長(zhǎng)法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜形狀的納米結(jié)構(gòu)，而自組織過(guò)程和基于模板匹配方法又可以產(chǎn)生特定設(shè)計(jì)的組件和陣列。另外，區(qū)別于其他技術(shù)，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(shù)。

個(gè)性化醫(yī)療

Popp教授關(guān)注的第一項(xiàng)應(yīng)用是藥物療效的監(jiān)測(cè)。比如在治療呼吸道或尿路細(xì)菌感染時(shí)監(jiān)測(cè)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(rèn)為，有效的治療應(yīng)該針對(duì)每位病人進(jìn)行藥物劑量的個(gè)性化配制。

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

解決方案之一是將SERS和芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）技術(shù)結(jié)合起來(lái)，在LoC內(nèi)部結(jié)構(gòu)中加入等離子體納米材料，以獲得所需的強(qiáng)化SERS。根據(jù)Popp所說(shuō)，LoC-SERS技術(shù)可以得到高重復(fù)性的結(jié)果，并且能實(shí)現(xiàn)高樣品通量和自動(dòng)化處理。

SERS與芯片實(shí)驗(yàn)室（LoC）技術(shù)結(jié)合

這項(xiàng)技術(shù)已在尿檢中測(cè)試，檢測(cè)廣譜抗生素左氧氟沙星在人體內(nèi)的殘留量，以避免過(guò)量服用藥物。

Popp教授感興趣的第二項(xiàng)應(yīng)用是無(wú)標(biāo)記病原體檢測(cè)。Popp描述了SERS技術(shù)如何應(yīng)用于檢測(cè)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(jié)構(gòu)更復(fù)雜的病毒。利用原子尖點(diǎn)散射的針尖增強(qiáng)拉曼光譜（TERS）原理的新研究策略已被開發(fā)，并將應(yīng)用于研究Covid-19。

“這些研究向單分子靈敏度拉曼光譜的應(yīng)用邁出了第一步。”Popp評(píng)論說(shuō)：“正確的等離子體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以幫助我們處理泵、斯托克斯和反斯托克斯散射信號(hào)之間的共振，創(chuàng)建表面增強(qiáng)相干反斯托克斯拉曼散射光譜（SECARS）。當(dāng)整體增強(qiáng)達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)，就能檢測(cè)單個(gè)病毒。”

強(qiáng)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(wèn)題。Popp談及他們?cè)谶@方面的努力。硫桿菌是檢測(cè)水中氯碳含量的有效生物標(biāo)志物，可以通過(guò)SERS分析硫桿菌的數(shù)量來(lái)監(jiān)測(cè)地下水中四氯乙烷（PCE）的含量。

Popp談到：“硫桿菌的化學(xué)成分在不同的培養(yǎng)條件下會(huì)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(shù)可以用于檢測(cè)PCE的數(shù)量，通過(guò)這種方式能夠驗(yàn)證PCE去除技術(shù)的有效性。”

Popp提到的最后一個(gè)重點(diǎn)領(lǐng)域涉及人類迫在眉睫的健康問(wèn)題，即血管中細(xì)胞聚集導(dǎo)致動(dòng)脈粥樣硬化或其他心血管疾病。一旦SERS技術(shù)能夠識(shí)別出不同的動(dòng)脈斑塊中存在的不同巨噬細(xì)胞或白細(xì)胞，我們就能夠區(qū)分危險(xiǎn)斑塊與風(fēng)險(xiǎn)較小的積聚區(qū)，實(shí)現(xiàn)動(dòng)脈斑塊的早期檢測(cè)。

Popp還說(shuō)明了使用SERS標(biāo)記的研究。SERS標(biāo)記在包裹糖基單體甘露糖的金納米星上，被巨噬細(xì)胞吸收后并入斑塊。SERS能夠監(jiān)測(cè)這一過(guò)程，作為識(shí)別動(dòng)脈粥樣硬化情況的途徑之一。

Popp最后總結(jié)道：“在這四個(gè)領(lǐng)域中的研究展現(xiàn)了SERS技術(shù)在不同的應(yīng)用情境中如何結(jié)合分子特異性、縮短檢測(cè)時(shí)間、如何簡(jiǎn)化拉曼光譜技術(shù)的運(yùn)用。SERS正在成為一種強(qiáng)大的分析和診斷工具。”

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