核磁、電鏡發完Nature，輪到拉曼發Nature Nano

前言

表徵技術的發展是科學發展的重要組成部分，也是相關研究領域取得關鍵突破的重要推動力。Science、Nature上關於新技術發展的論文可謂是層出不窮，僅九月份就有不少正刊和子刊報導了相關技術的發展與突破，比如：

1. 9月初，掃描探針電鏡技術發了Nature，實現對單分子的超快操縱！

▲Nature：新技術實現對單分子的超快操縱！

2. 上周，光子反衝成像技術發了Science！

▲Science：非線性X射線物理學重大突破——光子反衝成像！

3. Nature Mater.上，科學家利用Operando Kerr門控Raman光譜技術實時跟蹤甲醇轉化過程中不同階段碳氫化合物的形成過程。

▲Nature Mater.：甲醇制烴催化劑為何失活?

4. 麻省理工的科學家採用像差校正掃描透射電子顯微鏡來量化弛豫鐵電系統中各種納米級不均勻性和局部極化的關係

▲Nature Mater.：球差電鏡，看破機理！

5. 更早一點，今年3月份的Nature利用原位NMR技術揭示液流電池電解液的反應機理

▲想發Nature？會自己搭裝置嗎？？

今天給大家介紹一下昨天發表在Nature Nanotechnology上的一篇關於表面增強拉曼散射全息成像技術的論文！

▲第一作者：Matz Liebel
通訊作者：Matz Liebel, Niek F. van Hulst and Ramon A. Alvarez-Puebla

通訊單位：西班牙巴塞隆納科學技術研究所，西班牙依維爾基裡大學，西班牙加泰隆尼亞研究所

DOI: 10.1038/s41565-020-0771-9

背景介紹

在過去的40年中，表面增強拉曼散射（SERS）光譜技術已經成為一種快速可靠的超靈敏技術，可以對各種複雜樣品中的分子系統進行可靠而精確的鑑定。基於表面增強拉曼散射（SERS）技術的納米探針具備固有的定量分子特異性，在全光環境、生物和技術傳感領域具有廣闊的應用前景。 然而，SERS探針的有效性取決於顆粒大小，穩定性和亮度之間的微妙的平衡，目前主要的缺點是作為光學平臺的納米顆粒的SERS效率較低，導致採集時間長，這阻礙了它們在SERS成像方法學中的廣泛應用。

本文亮點

1. 作者在本文中證明了自發拉曼信號的全息成像是可能的。
2. 通過將麥可遜幹涉儀與基於剪切幹涉儀的全息顯微鏡耦合，作者同時記錄了多個SERS納米顆粒及其各自的拉曼光譜的寬視場圖像的相位和幅度。

3. 作者使得數字圖像傳播能夠在同一幅圖像中，在不同z位置對多個SERS納米粒子進行三維定位。這種方法驗證了最初的猜想，並使光譜多路復用和拉曼波段特定的圖像分解成為可能。

圖文解析

▲圖1: 用於自發拉曼全息攝影的明亮SERS團簇

a. 局部熱點以及分子與SERS底物之間的強相互作用會產生增強的拉曼信號。

b. 作者合成了高度均勻（16nm）的納米金粒子，並將它們組裝成約100nm的超大團簇。

c. 裝置示意圖，由邁克耳遜和剪切幹涉儀組成的光譜分辨全息寬視場顯微鏡，可以同時進行光譜分辨成像和圖像相位測量。

▲圖2: 寬場時域SERS光譜

a. 為了驗證所觀察到的信號確實是拉曼散射，而不是由於粒子發光，作者改變麥可遜幹涉儀中的單臂的長度，並記錄相應的圖像堆棧。

b. 大多數發射點的延遲相關積分信號強度顯示出預期的幹涉條紋，帶有明顯的跳動模式，使人聯想到具有多頻率成分的光譜特徵。

c. 為了獲得單粒子光譜，作者對各自的時滯軌跡進行離散傅立葉變換。這些光譜與常規czerney - turner光譜儀測得的整體拉曼光譜具有良好的定量一致性。

▲圖3：光譜圖像多路復用
a. 為了顯示整個圖像堆棧的光譜含量，對記錄的SERS圖像幹涉圖進行傅立葉變換並求和。在由隨機發射波動和散粒噪聲等實驗噪聲引起的殘留背景上，粒子的拉曼光譜可見。

b. 通過繪製三個不同光譜波段的強度來獲得傅立葉濾波的半徑圖像。右上角的黑色數字表示相對強度縮放因子。第三張2,674 cm−1的圖像顯示了所有粒子的存在，雖然強度大大降低並且沒有拉曼信號。

c. 與上圖對應的相位的光譜拉曼波段，背景顯示沒有相位響應。只有在520 cm−1和1075 cm−1的光譜可見波段顯示出明顯的拉曼相位信號。

▲圖4: 拉曼圖像中提取的空間相位信息
a. 由於光柵相對於中繼圖像共軛像的平面偏移，因此圖像的空間重疊是光柵位置的函數。

b. 當考慮一個稍微離焦的具有球形相位的發射點，則可以觀察到光柵引起的圖像位移直接轉化為相位梯度測量。

c. 為了隔離梯度，作者利用幹涉項的k矢量誘導信息偏移，然後通過簡單的傅立葉濾波在k空間中對其進行分離。原始圖像經過傅立葉變換，揭示了動量偏移的自幹擾項。為了隔離圖像相位梯度，作者分別對Δφx或Δφy項進行硬孔徑濾波，將其移至零動量並進行傅立葉逆變換。

d. 通過二維積分得到上圖中的原始相位圖像。通過縮放可以解釋2D光柵位置並消除殘留像差，可以獲取最終相位。

e. 由於相位梯度很大程度上取決於光柵和共軛像平面之間的距離，因此在獲得最終相位圖像之前，有必要對可能存在的殘留背景相位進行縮放和去除。

▲圖5: 多路復用拉曼相位圖像
a. 顯示了一個代表性的圖像，將不同摻雜粒子摻雜到3D矩陣中，並將SERS圖像在對數尺度上進行展示，以此說明強烈變化的發射強度。

b. 所示粒子的拉曼光譜。作者確定了在1006 cm−1左右表現出明顯不同拉曼活動的單個粒子的光譜。

c. 通過在僅顯示所指示的波數區域中包含的強度而獲得的圖像中與波數有關的光譜分解圖，在光譜分解的圖像中也可以重現的觀測結果。

d. 通過傅立葉分解和二維積分得到的振幅和相位圖象，直接比較兩幅圖像可以發現粒子具有幾乎相同的點分布函數，但相位值非常不同。

e. 兩個相鄰的發射體的相位項本質上是倒置的。f. 通過計算對d中的圖像重新聚焦並實現三維粒子定位。根據計算結果，作者通過將顯微鏡的z焦距移動上述距離，手動將圖像重新聚焦在各個位置上，從而證實確實存在顆粒。

▲圖6: 活細胞中SERS粒子跟蹤
根據實驗結果，作者提出了初步的三維全息活細胞跟蹤實驗。作者將摻有SERS的超團簇的活的希拉細胞在37°C下孵育3小時，然後獲取延時的SERS以及明場圖像，用來捕獲SERS粒子和細胞的運動。

原文連結：https://www.nature.com/articles/s41565-020-0771-9