意昂4平台葉堅教授、林俐助理教授團隊和新加坡南洋理工大學林歆怡教授團隊領銜、全球30多位專家共同參與在ACS Applied Materials & Interfaces上發表表面增強拉曼光譜技術50周年特撰綜述。該文入選ACS Editors’ Choice並可免費閱讀全文6個月。

英文原題：

Surface-Enhanced Raman Spectroscopy for Biomedical Applications: Recent Advances and Future Challenges

正文🚎🫰：

摘要：

     2024年是表面增強拉曼光譜技術（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）發現50周年🙎🏿‍♀️。近年來👵🏼，SERS技術憑借極高的靈敏度和分子指紋特異性，已成為生物醫學領域的重要研究手段。本文是由全球30多位SERS領域知名專家共同撰寫的長達93頁的大綜述，總結了SERS基底、SERS納米探針、SERS設備和SERS光譜分析四大部分在生物醫學應用中的進展和挑戰。對於SERS基底，文章強調了膠體和固態兩大類基底的重大進展🐇👃🏽，聚焦於表面化學🫷🏻，熱點設計和等離激元3D水凝膠。對於SERS納米探針，文章綜述了包括內嵌縫隙、正交報告拉曼分子和近紅外二區響應特性的納米探針及其表面修飾。對於SERS設備和技術，文章綜述了包括光鑷、納米孔和可穿戴式設備等，這類技術可將SERS技術應用於單細胞和單分子分析。對於SERS光譜分析，文章介紹了信號數字化、降噪算法和深度學習等內容，這些信號分析方法顯著改善了復雜生物背景中基於拉曼信號的定量分析。最後🤳🏿，文章綜述了SERS在核酸檢測、蛋白質表征、代謝分析、單細胞監測和活體深穿透拉曼檢測等生物醫學領域的應用，強調了其在液體活檢、代謝表型和細胞外囊泡診斷方面的潛力。文章最後🪽，展望了SERS的臨床轉化前景和商業化潛力，以及在活體組織深部傳感和成像方面的挑戰5️⃣。

SERS技術與發展簡介👩🏽‍🎓🏄🏻：

表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman spectroscopy, SERS）技術已成為納米技術與生物醫學交叉領域的重要分析工具🦖👱‍♂️。通過利用金屬納米結構的等離激元特性，SERS技術展現出極高的靈敏度🤦🏻‍♀️🏌🏽，可以在單分子水平上檢測到分子指紋信號，能夠作為超靈敏分析工具廣泛應用於疾病診斷、生物標誌物檢測🎞、細胞成像和治療監測等領域。

1974年⬆️，基於銀基底的SERS技術誕生；在1980年代，SERS開始用於體外生物分子檢測，研究重點聚焦於提高靈敏度和解析光譜。1990年代末🤚🏻，單分子SERS的出現再次推動了該技術在生物傳感中的應用。2008年，Nie等人首次利用金SERS納米探針實現活體腫瘤檢測👩🏻‍⚖️，開啟了SERS在活體動物研究中的新探索❓🧑🏿‍🎤。過去十年，隨著納米材料合成、基底製備工藝和光譜分析技術（特別是人工智能算法）的進步🥧，SERS技術在生物醫學中的應用迅速擴展🈁。

一、SERS基底

（一）SERS液相膠體基底：

膠體金/銀納米顆粒易於合成、重現性好且能提供強等離激元效應🧑🏽‍🚒，是最廣泛使用的SERS基底。然而，利用膠體基底進行SERS測試時，確保目標分子特異性吸附在信號增強最有效的“熱點”區域是一大挑戰🪔。目標分析物可通過直接或間接機製吸附到等離激元基底上（圖1）👨‍👩‍👧，這可通過修飾膠體顆粒的表面化學性質來控製。

通常，納米顆粒表面覆蓋一層配體以防止聚集，但這限製了其僅能檢測與配體高親和力的分子⚡️。通過預處理方法（如替換強吸附配體）可拓寬檢測範圍。此外🪧🫵🏼，弱吸附配體（如檸檬酸鹽、氯離子）也可用於穩定納米顆粒，並實現廣泛分析物的檢測🟠。間接吸附則需在納米顆粒表面修飾功能層，以吸引目標分子🎷。常用的修飾劑包括自組裝單層🤷👩🏿‍⚕️、大分子（如抗體🚵‍♂️、適配體）以及無機材料（如金屬有機框架MOFs）。這些修飾劑通過靜電、疏水或主客體相互作用增強分析物吸附🧙🏽。

圖1. SERS液相膠體基底與待檢測物的相互作用方式。

（二）SERS固態基底

（1）3D等離激元水凝膠：

水凝膠因其高吸水性及分子捕獲能力，成為結合金屬納米顆粒的理想基底，廣泛應用於SERS傳感。通過3D生物打印等技術，水凝膠可模擬真實組織環境🧊，支持細胞生長與分化。將SERS納米探針（如金納米星或納米棒）嵌入水凝膠中，可實現高空間分辨率的生物成像，甚至穿透深度超過1000 µm，遠超傳統熒光顯微鏡。水凝膠-SERS平臺在腫瘤模型🖖🏽🤧、藥物擴散監測等領域展現出巨大潛力。

（2）金屬有機框架（MOFs）： 

MOFs作為SERS基底🥲🐹，具備高比表面積👷🏿、孔徑可調節及可調控的局部化學環境等獨特優勢。通過將等離激元納米顆粒封裝在MOF殼層中💁🏿‍♂️，可增強SERS信號的穩定性與靈敏度🦻🏼。MOFs的疏水性設計還可捕獲非極性分子，提升檢測效率🦍，在環境監測、藥物釋放動力學研究等領域具有廣泛應用前景（圖2）。

（3）半導體SERS基底： 

半導體材料（如金屬氧化物、硫化物）通過電荷轉移（CT）和電磁增強機製（EM）提升SERS性能。通過摻雜、異質結設計或微納結構調控💇🏼，可顯著增強SERS信號。半導體SERS基底還兼具催化功能，如光催化和納米酶活性，為生物醫學檢測提供了新工具。例如，MnCo₂O₄納米管結合SERS與氧化酶催化特性💛，實現了超靈敏的分子檢測。

圖2. MOFs作為SERS基底的應用。

二、SERS納米探針：

 SERS納米探針（SERS nanotags）由貴金屬納米顆粒🦜、拉曼報告分子、保護層和修飾層組成，用於增強拉曼信號以實現生物分子的高靈敏度檢測👷🏽‍♂️。貴金屬納米顆粒通過電磁場增強機製放大拉曼信號，而拉曼報告分子則提供獨特的光譜指紋。保護層（如硫醇-PEG、二氧化矽）提升納米探針的穩定性和生物相容性🧕🏼，修飾層則通過生物識別分子（如抗體、適配體）實現特異性結合📒。

（一）縫隙增強拉曼探針（GERTs）👨‍👧‍👦💑：

其結構通常由金屬核、金屬殼和中間的拉曼活性隔離層組成。GERTs具有以下優勢👨🏻‍🚒💉：間隙內的等離激元耦合效應使其具有超高亮度👯；拉曼報告分子被金屬殼保護，具有優異的膠體穩定性和信號光穩定性👇🏼；即使在聚集狀態下也能保持穩定的SERS響應，適用於定量拉曼分析；通過在內置間隙中嵌入多個拉曼分子或在不同間隙層中嵌入不同分子👴🏿，可實現多重編碼。GERTs已廣泛應用於信息安全、快速成像🧜🏻‍♀️、生物傳感🪼、活體檢測與成像以及多功能診療等領域（圖3）👩🏻‍🌾。  

（二）正交拉曼報告分子➞：

在復雜生物系統中，正交拉曼報告分子（如含炔基、疊氮基的分子）在1800-2800 cm⁻¹的“生物拉曼透明窗口”中表現出獨特的光譜特征，避免了內源性分子的幹擾。這些分子通過強親和力與納米顆粒表面結合，提供高信噪比的拉曼信號，廣泛應用於多通道檢測和多目標成像。

（三）NIR-II SERS納米探針🐈‍⬛： 

近紅外二區（NIR-II，1000-1700 nm）SERS納米探針因其深層組織穿透能力和高空間分辨率👨🏿‍✈️，成為活體光學檢測和成像的理想工具。通過設計各向異性的貴金屬納米結構（如金納米棒🤦🏻‍♂️、納米殼💥、銀納米籠）和匹配的拉曼報告分子，NIR-II SERS納米探針在腫瘤檢測和淋巴結失蹤中展現出卓越性能🎶。

圖3. 縫隙增強拉曼探針。

三、新型SERS檢測設備與技術：

（一） 光鑷在單顆粒和單細胞SERS中的應用

光鑷技術通過聚焦激光束操控微米和納米尺度的物體💶，抑製布朗運動並精確定位，已與微流控系統結合👮🏿‍♀️，顯著提升了SERS測量的效率和可重復性。

在微米尺度物體操控中🧛🏽‍♀️，研究人員設計了部分銀包覆的二氧化矽微球作為可光學捕獲的SERS移動探針，用於細胞膜的空間掃描檢測💁🏻‍♀️🐈‍⬛。在納米尺度操控中，通過光學聚集多個金屬納米顆粒形成動態熱點👨🏿‍🎨，顯著提升了SERS信號。

（二）等離激元納米孔系統用於單分子SERS傳感： 

等離激元納米孔通過將傳統納米孔與等離激元效應結合🗂，利用貴金屬在納米孔內產生增強電磁場的“熱點”🏄🏿，外部電場則促進單分子在熱點中的捕獲🕜🌄、分析和釋放，從而同時測量單個分子的電信號和拉曼信號。例如，研究人員通過聚焦離子束製造了金碗狀納米孔🦤，利用電滲流和電泳力展開DNA並引導其通過熱點🤷🏼‍♀️，成功實現了DNA堿基的單分子SERS檢測🏌️‍♂️。

（三）基於SERS的可穿戴檢測設備⬆️：

可穿戴傳感器能夠非侵入性地實時監測體液中的生化物質，為早期疾病診斷和個性化健康管理提供了新途徑。基於SERS的可穿戴汗液傳感器通過利用SERS的高靈敏度和多重檢測能力🙆🏻‍♀️，實現了對電解質𓀔、代謝物、激素和藥物等多種分子的監測（圖4）。

圖4. 基於SERS的可穿戴檢測設備。

四、SERS數據處理與信號分析

（一）SERS頻譜分析

SERS頻率反映了激發激光與發射光子之間的能量差異，對應於特定的分子振動🏈。這些振動形成了一個SERS光譜，編碼了詳細的分子信息💆🏽‍♀️。

(1) 基於機器學習的頻移分析

由於機器學習（ML）能夠處理大量數據並識別復雜模式，它在SERS頻率分析中變得越來越重要。ML算法可以分為無監督（PCA、UMAP和HCA）和監督學習方法（PLS、SVM和RT）🛶。而通過SHAP（Shapley Additive Explanations）等算法識別影響模型預測的關鍵光譜特征等手段可提高機器學習模擬的可解釋性。

（2）SERS降噪🧑🏻‍🍳：

噪聲影響SERS光譜質量和成像清晰度🧚🏼。降噪算法已從傳統的信號處理方法發展到先進的深度學習技術。相較於傳統的傅裏葉變換濾波等🍃，PEER（Peak Extraction and Retention）和P2P（Peak2Peak）等自監督深度學習方法通過保留峰信息並減少噪聲來提高去噪性能。

（3）SERS光譜解混：

光譜解混涉及將混合的SERS光譜分離成單個成分（端元）及其相對豐度。傳統方法如非負最小二乘（NNLS）假設線性混合👩‍🦽，但深度學習提供了更準確和靈活的解決方案。如自編碼器：這些網絡將光譜數據映射到豐度值並重構光譜，提高了解混的準確性🙎🏻‍♂️。其他架構如卷積神經網絡（CNN）🚴🏻、U-Net和Transformer等模型也在光譜解混方面顯示出前景🎚。

（二）SERS定量分析：

盡管SERS具有極高的靈敏度👨‍👩‍👧，但其信號強度的高度局部化和不均勻性導致了定量分析中的不可重復性問題。多種新興技術已被開發用於改善定量分析的重復性和可靠性（圖5）。

（1）內標法

內標法（IS）是一種在分析化學中長期使用的校準方法🪔，用於校正信號波動🎫🏋🏿。在SERS中，內標分子被用來校正熱點增強因子、基底-分子相互作用和儀器差異等變量🐽。例如，羅丹明6G的同位素標記分子被用作內標，以校正不同探針體積😌、基底批次和測量條件下的增強因子🫶🏼。

（2）數字化SERS技術（dSERS）

隨著分析物濃度的降低，SERS單分子信號波動（SIFs）變得越來越顯著。數字SERS通過將模擬信號轉換為數字信號，避免了模擬信號強度的波動🧍🏻‍♂️，僅關註二進製狀態（1或0）👇🏿🫷🏻。例如👂🏼，Bi等人提出了基於膠體的單分子檢測方法，即數字膠體增強拉曼光譜（dCERS）🏭，在膠體系統中⛹🏽‍♂️，單分子事件遵循泊松分布🥐，從而在超低濃度下實現了高重復性和測量精度。

（3）雙模態SERS傳感

SERS定量分析可以通過集成不同的傳感模式來提高靈敏度和選擇性。電化學-SERS（EC-SERS）通過施加電壓增強分析物與金屬納米結構電極表面的相互作用，從而提高檢測靈敏度。例如，Zhou等人設計了一種基於EC-SERS的傳感器，用於檢測miRNA👩🏼‍✈️，其檢測限分別達到2.2 fM（電化學模式）和0.12 fM（SERS模式）。

圖5. SERS定量分析方法😔。

五🙎🏼、SERS技術在生物醫學中的應用

（一）核酸多通路檢測

通過設計特定的SERS納米探針⚆，可以實現對多種核酸的同時檢測🕑。例如🏰，通過磁性微球捕獲多種miRNA後🍝✣，進行多重SERS標記，在待檢測miRNA存在的情況下形成核心-衛星復合結構，該方法允許同時檢測三種miRNA生物標誌物：miR-21， miR-122和miR-223🧖🏽‍♂️，檢測限分別達311,349和374 aM。

（二）蛋白質結構表征與功能預測

SERS技術能夠通過拉曼光譜的指紋特征，揭示蛋白質的二級和三級結構信息。通過將蛋白質吸附在SERS活性基底上，可以獲得其振動光譜，進而分析蛋白質的構象變化和功能狀態🧒🏿。這種方法在蛋白質折疊🚈、酶活性研究和藥物-蛋白質相互作用等領域具有廣泛應用🈁。而通過分析蛋白質的拉曼光譜特征，可以建立模型來識別不同種類的蛋白質👨‍👩‍👧‍👦，甚至預測其功能。

（三）基於SERS檢測的蛋白質生物標誌物液體活檢

SERS技術在液體活檢中的應用🏅，特別是在血液、尿液等體液中檢測蛋白質生物標誌物，展現出高靈敏度和特異性🤚🏽。如將等離激元材料和內標嵌入測流層析試紙條中🤾🏿‍♀️，可用於蛋白質生物標誌物的雙通道檢測；采用多路無泵的微流控芯片，基於SERS信號實現跨多個樣品的蛋白質生物標誌物雙通道檢測（圖6）。

圖6. 基於SERS檢測的蛋白質生物標誌物液體活檢😟。

（四）代謝物SERS分析

SERS技術可以用於檢測和定量分析生物體內的代謝物🧑🏻‍🦱，如葡萄糖🧔🏻‍♂️、乳酸等😤☂️。通過將代謝物吸附在SERS活性基底上，可以獲得其拉曼光譜，進而分析其濃度變化🙆🏽‍♀️。

SERSome是一種基於SERS技術的新型代謝分析方法，其使用整個光譜集（可達數百張光譜）而不是單個光譜或少數光譜的平均值，來保存可能捕獲的所有分子信息🧑‍🧒，增強識別生物標誌物和分辨不同代謝狀態的能力（圖7）。

圖7. 基於SERSome的代謝檢測。

（五） 單細胞代謝物SERS監測

SERS技術能夠在單細胞水平上監測代謝物的動態變化，揭示細胞代謝的異質性和動態變化。在微滴-SERS平臺上嵌入磁/等離激元復合納米顆粒（Fe₃O₄@AgNPs），可實現對單細胞分泌代謝物的無標記檢測。納米顆粒在微滴內自發聚集形成多尺度熱點結構🛗，顯著增強了熱點中代謝物的拉曼信號，可實現對於丙酮酸、乳酸和三磷酸腺苷的同時監測。

（六）細胞外囊泡的SERS監測與診斷

細胞外囊泡（EVs）是細胞間通信的重要媒介，其攜帶的分子信息可以反映細胞的生理和病理狀態🏊🏿‍♀️。SERS技術可以用於EVs的表面分子檢測，揭示其來源和功能⛹🏻‍♂️👈🏽，可應用於癌症診斷和液體活檢👯🙎🏻‍♀️。例如，基於等離激元納米材料可以檢測表皮生長因子受體（EGFR）突變👨‍🔬，這種可反應於循環EVs中的突變可用於篩選30多種癌症。最近的另一項研究將EV-SERS應用於六種癌症類型的早期診斷🍕🌄，其靈敏度達90.2%，特異性達94.4%🥠。

（七）空間偏移拉曼光譜及透射拉曼光譜技術實現活體深層檢測

空間偏移拉曼光譜及透射拉曼光譜統稱為深穿透拉曼光譜技術☝🏻，通過在空間上將檢測探頭和激發光源隔開進行檢測，抑製淺表背景對深層信號的幹擾，可實現深層組織中拉曼信號的檢測。結合SERS和深穿透拉曼光譜技術🚒，目前已實現在符合臨床安全光照標準的前提下穿透數厘米生物組織進行檢測🙋🏿，並基於此實現活體動物（恒河猴🍚、新西蘭兔和大鼠等）深部前哨淋巴結的無創示蹤和三維定位（圖8）。

圖8. 基於深穿透拉曼光譜檢測技術的組織深層檢測。

總結與展望：

表面增強拉曼散射（SERS）技術在生物醫學領域展現出多個新興趨勢和機遇。首先，SERS具有無需標記的特性📃，可用於檢測和區分血液和組織活檢中的復雜生物標誌物🕵🏼，如核酸🥇、蛋白質和代謝物分子，並結合人工智能或數字SERS技術實現單分子計數🤳🏻。此外👷🏼‍♂️，高生物相容性SERS編碼納米探針在體內腫瘤成像和手術引導中的應用前景廣闊👸🏼。

然而，SERS在醫學應用中也面臨一些固有挑戰。其一，SERS在特定組織位點的測量能力出色🤵🏻‍♂️，但通常只能逐點采集光譜。通過與CT、MRI、PET等寬場成像技術結合，可以彌補這一局限。另一個挑戰是金納米顆粒（Au NPs）作為SERS探針在體內的長期存留和安全性問題。這些納米顆粒被肝臟➖、脾臟等網狀內皮系統器官快速攝取後，可能在體內滯留數月甚至數年。盡管“可排泄”金納米簇的開發前景良好，但其表面塗層和標記物的長期臨床安全性和有效性仍需系統評估。

通訊作者簡介：

     葉堅，意昂4体育平台教授和副院長💃、國家級青年人才、國家自然科學基金委優秀青年基金獲得者🍄‍🟫、國家重點研發計劃項目首席科學家、上海市顛覆性技術創新專項首席科學家🫢、上海市東方英才計劃領軍項目獲得者🦃。在Nature、Nature Communications、Cell Reports Medicine🔼、Advanced Science👮‍♀️、Nano Letters🧑🏽‍🎨、ACS Nano等期刊上發表高水平論文130余篇，被引用6400多次🚈，H因子為45。

     團隊網站：http://www.yelab.sjtu.edu.cn

     林歆怡（Xing Yi Ling），教授🤏🏻，現任新加坡南洋理工大學化學、化學工程和生物技術意昂4教授🥅。英國皇家化學會會士🕋，ACS Applied Materials&Interfaces家族期刊主編。。主要從事納米功能材料及表面增強拉曼散射方向的研究工作，研究成果在環境、醫療和催化領域均取得應用。作為第一/通訊作者已在Sci. Adv.👩🏿‍⚕️、Nat. Commun.🧛🏿‍♀️☃️、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Et.✍🏽、Adv. Funct. Mater.等化學和材料領域的國際著名期刊上發表高水平學術論文140余篇🔸，引用13000余次💅🏼，H因子為48🧛🏼‍♀️。

     團隊網站🍰：https://lingxingyi.jiangnan.edu.cn/

第一作者簡介：

     林俐，長聘教軌副教授，博導🍿，上海市晨光學者。曾獲SERS國際會議最佳墻報獎🪀、IMCO國際會議最佳論文獎等。研究方向是基於拉曼光學方法的無創病竈定位和重建📺🥻，開發活體透射拉曼光譜技術👲🏽👼🏿，實現了深穿透檢測、定位和成像等一系列研究🥷🏿。在Nano Letter’s, ACS Nano, Advanced Science, Small Methods,等期刊上發表高水平論文，被引1400余次。

出版信息：

https://doi.org/10.1021/acsami.4c17502

Published February 24, 2025

原文鏈接🈲：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/acsami.4c17502