纳米粒在SERS活体成像中的应用进展外文翻译资料

纳米粒在SERS活体成像中的应用进展

原文作者 Zhen Du；Yuchen Qi；Jian He；Danni Zhong； Min Zhou

单位 浙江大学医学院第四附属医院、浙江大学转化医学研究所

摘要：表面增强拉曼散射(SERS)技术被认为是单分子科学领域最重要的研究方法之一。近十年来，纳米粒在活体表面增强拉曼散射成像中的应用成为研究热点。为了提高表面增强拉曼散射(SERS)成像性能，研究人员开发了金纳米星、铜基纳米材料、半导体量子点等几种SERS纳米标签。由于目前的局限性，发展拉曼设备也是必要的。本文详细介绍了SERS纳米粒的最新研究进展及其在活体成像中的应用。具体例子突出了SERS纳米粒在体内肿瘤成像和治疗中的应用。展望了纳米粒在活体SERS成像中面临的挑战和机遇。

关键词：体内；纳米药物；纳米粒；拉曼成像；SERS

1 引言

非侵入性活体成像，如计算机断层扫描(CT)、磁共振(MR)、正电子发射断层扫描(PET)、光学成像(OI)和超声(US)，近年来取得了巨大的进步，特别是得益于纳米技术的快速发展(Chen，Ni等人，2020；Chen，ou等人，2020；Chowamp;Ho，2013；Kunjachan，Ehling，Storm，Kiessling，amp;Lammers，2015；Ni等人，2019年)。使用特定功能的纳米颗粒作为外源性成像造影剂可以有效地提高基于成像的诊断的敏感性或特异性。由于这些成像技术中的每一种都根据其特定的能力显示不同类型的分子成像信息，研究人员致力于探索创新性的活体成像技术。其中，用于活体成像的表面增强拉曼散射(SERS)技术由于其高灵敏度和低检测限的优点而受到关注(Zavaleta等人，2009年)。SERS是在拉曼成像技术的基础上发展起来的，后者最早是由C.V.Raman于1928年报道的(Ramanamp;Krishnan，1928)，而前者的历史相对较短。在光散射过程中，大多数光子都经历了被称为瑞利散射的弹性过程，而大约每1000万个光子中就有一个光子经历了与散射材料交换能量的非弹性过程，这被称为拉曼散射。它可以很容易地从水溶液的背景信号中分离出来，使其成为生物应用的理想分析方法(Lyon等人，1998年)。然而，大量样品，特别是生物样品的拉曼散射强度较弱，阻碍了该技术在多个领域的进一步应用。巧合的是，1974年，当吡啶在粗糙的银电极表面增强拉曼散射时，意外的发现了SERS效应 (Fleischmann，Hendra，amp;McQuillan，1974)。当时SERS的拉曼散射强度增强因子(EF)被确定为10⁶(Jeanmaireamp;Van Duyne，1977)。随着20世纪90年代纳米技术的爆炸性发展，单分子/单纳米粒表面增强拉曼散射(增强因子高达10¹⁴-10¹⁵)已经被发现并被广泛研究，无论是其增强机制的研究还是应用研究(Kneipp等人，1997)。自那以后，SERS技术一直被认为是单分子科学领域最重要的研究方法之一。连续的研究表明，使用特定的金属(金、银或铜)纳米颗粒作为SERS活性基底可以显著增强位于其上的分子或附近的拉曼散射(Ding等人，2016年)。自上个十年以来，表面增强拉曼散射(SERS)活性纳米颗粒已被用于活体成像的医学应用。我们可以假设，纳米技术的引入为SERS在多种生物医学领域的应用开辟了更多的可能性，特别是在活体成像方面。

我们坚信，纳米粒在活体SERS成像中的应用将继续得到全面和深入的探索，这可能会使其在临床上得到有效的诊断和治疗指导。因此，SERS纳米粒的组成和性质，SERS纳米粒如何应用于活体成像，以及SERS成像技术对临床治疗的积极影响都需要更好地理解。本文就SERS活性纳米粒在体内成像方面的最新进展作了综述。(在这篇综述文章中，我们详细介绍了用于活体成像的SERS活性纳米粒的最新进展。它将首先介绍SERS活性纳米材料的主要类型，然后简单讨论其增强机制。然后，介绍了SERS活性纳米粒在活体检测、图像引导的癌症治疗以及在其他疾病中的应用方面的突出例子。最后展望了纳米粒在活体SERS成像中面临的挑战和机遇。

2 SERS 纳米粒

安全高效的体内SERS纳米粒的研制是SERS技术临床推广的关键一步。随着纳米技术的发展，开发用于体内成像的超高灵敏度、多功能和生物相容性的SERS纳米粒的努力也在不断扩大。

2.1 直接检测和间接检测

SERS检测分为直接检测和间接检测（图1）。直接检测，也称为无标记SERS检测，是利用SERS活性纳米结构作为SERS基底来记录生物成分的信息（如蛋白质、DNA和脂质）。使用这种方法，生物分子可以被视为具有SERS标签的固有指纹信息的拉曼报告器(Ando，Fujita，Smith，amp;Kawata，2011；Palonpon等人，2013)。该方法对某些不饱和键和芳环结构的识别相当有效，但对其他基团的识别灵敏度较低(Zhang等人，2014)。此外，复杂的生物环境也不利于该方法的分析和信号强度。这些因素使得直接检测在医学领域的应用相对较少。

图１基于SERS的直接检测和间接检测示意图。

间接检测利用SERS纳米标记选择性地识别目标物种，特别是在异质生物环境中。SERS纳米标签通常包括具有SERS活性的纳米材料作为SERS基底，覆盖有拉曼信号分子以通过其特征光谱进行识别(图2)。目前，基于SERS纳米标签的间接检测是SERS检测的主要方式，因为它有助于简化分析过程，提高SERS技术的信号强度。发展高稳定性、高灵敏度、高特异性的多功能SERS纳米标签是间接检测的关键。目前对先进SERS纳米标签的研究主要集中在开发新型的SERS衬底作为核心，如具有新的组成和特殊的纳米结构的材料。SERS底物的选择在很大程度上决定了其SERS效应和生物应用。此外，拉曼信号分子的选择也可能影响激光器的最佳波长和与衬底表面的亲和力，从而影响纳米标签的SERS信号强度。此外，合适的表面涂层有助于提高纳米标签的生物稳定性，从而提高 体内的SERS成像效果。

图２　SERS纳米标签的结构由SERS活性纳米颗粒核心、表面吸附的拉曼探针分子和生物相容性表面涂层组成

2.2 SERS活性纳米粒

作为经典的SERS活性材料，金(Au)、银(Ag)或铜(Cu)因其成本低、制备简单以及近红外(NIR)区域的表面等离子体共振(局域表面等离子体共振[LSPR])而被广泛使用(Fan，Andrade，amp;Brolo，2011)。虽然银是最早发现的SERS活性物质，但其生物毒性限制了银基SERS纳米颗粒在体内的应用。一般而言，考虑到金纳米颗粒优异的生物稳定性、生物安全性和血浆活性，金纳米颗粒最常用作SERS标签核心(Fabris，2015)。然后，某些碱金属和过渡金属被探索为SERS活性材料(Sharma，Frontiera，Henry，Ringer，amp;Van Duyne，2012)。随着材料技术的发展，新的等离子体纳米材料被探索作为SERS衬底，例如半导体(han，Ji，赵，amp;Ozaki，2017)、石墨烯(Ling等人，2010年)和量子点(Livingstone等人，2010年)。与金属SERS材料相比，半导体材料具有额外的可控特性，如光电特性、稳定性和优异的生物相容性(Ji，赵，amp;Ozaki，2016)。与传统的SERS活性纳米粒相比，量子点具有尺寸优势和特殊的光学性质(Quagliano，2004)。例如，由于多孔结构形成了丰富的固有热点，多孔Au–Ag合金纳米粒可表现出优异的SERS活性（K.Liu，Bai等人，2016；图3b）。此外，具有等离子体纳米间隙（~1 nm）的金属纳米颗粒可以产生强大且可调谐的电磁场，从而使间隙中的拉曼信号分子的SERS信号增强（Nam，Oh，Lee和Suh，2016）。纳米粒的等离子体核-壳结构是一种粒内间隙，由于其独特的LSPR特性，可以用来提高SERS灵敏度(李建芳，张，丁，Panneerselvam，amp;Tian，2017)。最近，有报道称，一种基于Au核壳粒的SERS成像策略(图3c)基于Au核壳粒，用于术中实时诊断和消除残留的显微病灶(Y.Qiu等人，2018年；图3c)。颗粒间纳米间隙是基于纳米颗粒的二聚体和三聚体的另一种纳米间隙。例如，通过检测血红蛋白SERS信号，徐证明了单个银纳米颗粒上没有信号，但在二聚体/三聚体上可以检测到单一信号(Xu，Bjerneld，Kall，amp;Borjesson，1999)。Suh和他的同事报告了用于基于SERS的单分子检测的缝隙可定制的金-银核-壳纳米钟形结构。在这种异二聚体中，拉曼分子位于二聚金纳米粒之间，银壳被覆盖在表面(Lim，Jeon，Kim，Nam，amp;Suh，2010)。

图３　(ａ)Au纳米星的典型透射电子显微镜图像，由135mu;l的Au种子(主图像，标尺为50nm)和45mu;l的Au种子(插图，标尺为10 0 nm)合成。 (ｂ)多孔Au-Ag合金纳米粒子及其表面增强拉曼散射(SERS)活性。 (ｃ)GaP增强拉曼标签的原理图和TEM图像。标尺为50nm。Au-Ag合金Ns、金minus;银合金纳米粒子

2.3 拉曼信号分子

拉曼信号分子的选择对于制备有效的SERS纳米标签也很重要。具有较大拉曼截面的分子，如菁染料、孔雀石绿、R6G、尼罗蓝，是理想的拉曼报告者(Y.Wangamp;Schlucker，2013)。在防止报告者脱离SERS活性纳米颗粒和竞争吸附污染物方面，具有高表面结合能力的分子具有显著的优势。例如，信号分子，如含有强表面键(巯基)的二乙基硫代碳菁(DTTC)，表现出整体增强的SERS信号 (Gao等人，2015年)。此外，由于分子的光谱带宽很窄，可以同时识别密切相关的目标，SERS技术具有很强的多路复用能力(Keren等人，2008年)。为了提高多重SERS成像的选择性，需要具有相同激发光谱和有限发射峰数量的信号分子(M.Li等人，2019年)。

2.4表面涂层

与信号分子结合的SERS纳米颗粒往往在具有高离子强度的生物流体中沉淀或聚集(Lane, Qian，amp; Nie, 2015)。此外，丰富的蛋白质对拉曼信号分子的竞争性吸附会发生在生物环境中，并导致SERS信号的淬灭(Strozyk, Jimenez de Aberasturi， amp; Liz-Marzan, 2018)。因此，为了提高SERS纳米粒的生物稳定性和安全性，需要适当的表面防污涂层，从而扩大其在体内的SERS相关应用。如生物相容性聚合物如聚乙二醇(PEG)的修饰（Jimenez de Aberasturi等人，2016;Shkilnyy等人，2009年)，高分子量蛋白质，如牛血清白蛋白(BSA; Yuan等人，2013; Zheng 等人, 2014)和沉积二氧化硅壳(C. Wang, Chen, Wang, Ma，amp; Su, 2008)是提高SERS纳米粒信号生物稳定性的典型表面包覆方法。此外，分层涂层可以稳定地将各种拉曼信号分子封装到SERS纳米标签中，从而实现复杂生物介质中的多条路径SERS检测(Montjoy, Bahng, Eskafi, Hou， amp; Kotov, 2018)。值得注意的是，合理的表面涂层可以使SERS纳米粒具有更多的功能，包括靶向、成像、给药和治疗。

3 基于纳米粒的体内SERS成像

表面增强拉曼散射(SERS)凭借其超高灵敏度和多路复用的特点，在生物医学领域得到了广泛的应用。近年来， SERS技术与图像重建技术相结合，产生了SERS成像技术。虽然在小动物体内成像中的SERS研究历史相对较短，但这方面的研究已经有了相当多的报道。纳米粒在活体SERS成像中的临床前研究对促进其临床应用具有重要意义。纳米颗粒的SERS成像效果和安全性是影响SERS成像技术的两个关键因素。为了提高SERS成像效果，需要开发灵敏度更高的纳米粒、探测速度更快、操作更方便的成像技术和设备。生物安全性和代谢问题也是限制SERS纳米粒临床应用的重要因素。开发生物相容性好、易代谢的纳米粒以及探索更安全的使用方法和剂量是SERS活体成像的研究重点。本部分综述了用于活体成像的SERS技术的最新进展。

3.1 癌症成像

SERS纳米颗粒作为一种无创、超高灵敏度的肿瘤成像方法，在近10年的研究中蓬勃发展。通过增强的渗透与滞留(enhanced permeation and retention, EPR)效应，SERS纳米颗粒可以被动靶向到肿瘤部位，实现SERS有效的癌症成像。使用这种方法，纳米颗粒在肿瘤中的浓度是有限的。由于在肿瘤中具有特异性靶点，抗体偶联纳米颗粒可以主动靶向肿瘤，从而提高了SERS检测的敏感性(Maeda, 2001)。同时，考虑到肿瘤中生物标记物的异质性，SERS的多重特性使其成为一种理想的肿瘤成像方法。

金纳米颗粒被认为是一种生物相容性好的纳米材料，也是最常用的 SERS衬底材料，首次将其应用于荷人头颈部肿瘤的裸鼠的SERS成像研究。一个重要的发现是，以有机染料为信号分子、SH-PEG为稳

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