拉曼光譜編碼技術(shù)及其應(yīng)用研究進(jìn)展

湯婧怡,朱偉,2,沈愛國,2*

(1.武漢大學(xué)圖像傳播與印刷包裝研究中心,武漢 430079 2.武漢紡織大學(xué)生物工程與健康學(xué)院,武漢 430200)

0 引言

編碼是信息從一種形式或格式轉(zhuǎn)換為另一種形式的過程,最初是作為計算機(jī)術(shù)語存在。人們根據(jù)編碼的原理將其引申發(fā)展至將有限的“字符”進(jìn)行排列組合等轉(zhuǎn)換形式實現(xiàn)更多種信息的輸出,出現(xiàn)了諸如光譜編碼、圖形編碼、化學(xué)編碼和電子編碼等多種編碼形式[1]。

其中,光譜編碼指的是將有限的光譜信號輸出通過物理或化學(xué)的方式使其兩種或多種組合,從而得到更多光譜信號輸出的手段,可以實現(xiàn)高通量的生物檢測和成像及高容量信息存儲等需求。光譜編碼一般包括熒光光譜編碼、反射光譜編碼和拉曼光譜編碼等。熒光光譜具有靈敏度高且易于識別等優(yōu)點,人們研究并開發(fā)了許多使用熒光光譜編碼的方法,常用熒光染料分子或量子點等提供的熒光光譜進(jìn)行編碼。例如Amit A. Nagarkar等人[2]將熒光染料分子通過噴墨打印的方式沉積在固體表面上,識別分子在混合物中存在或不存在的狀態(tài)進(jìn)行二進(jìn)制編碼,實現(xiàn)了簡單快捷且讀取方便的大容量信息存儲。然而熒光光譜仍具有不能忽視的缺點,例如具有相同激發(fā)波長的熒光染料的數(shù)量有限,由寬發(fā)射譜引起的發(fā)射帶重疊的問題。此外,有機(jī)熒光團(tuán)顯示的熒光強(qiáng)度高度依賴于化學(xué)環(huán)境,可能由此產(chǎn)生光漂白問題,這都使得熒光編碼的編碼容量和能力大大降低。而反射光譜表達(dá)了物質(zhì)反射電磁輻射的能力,不同性質(zhì)的物質(zhì),或相同屬性的物質(zhì)在其成份、顏色、表面結(jié)構(gòu)、含水性(率)等不同時,其反射光譜特性也不同。由于光子晶體可以控制光子的傳播,常利用光子晶體的反射峰進(jìn)行編碼[3]。由于光子晶體的反射峰源于自身的物理結(jié)構(gòu),其編碼不但具有更好的穩(wěn)定性,而且避免了和熒光之間的干擾問題,具有提高檢測靈敏度的潛力。但是光子晶體在可見光范圍內(nèi)的種類相對較少,編碼能力受到了限制。

拉曼散射是分子對光子的一種非彈性散射效應(yīng),拉曼特征峰的帶寬很窄,相較于熒光,拉曼光譜可以從UV到NIR的寬光譜范圍的激發(fā)中獲得特定的分子振動光譜。研究者們常應(yīng)用在拉曼指紋區(qū)(400-1800 cm-1)和拉曼靜默區(qū)(1800-2800 cm-1)的信號分子進(jìn)行編碼,其中拉曼靜默區(qū)無生物背景干擾及特征峰窄(<2 nm)等優(yōu)勢具有很大的發(fā)展前景。與此同時,普通拉曼光譜雖然存在信號強(qiáng)度較低的問題,但可以通過利用等離子體納米材料Ag和Au等的局域表面等離子體共振(Localized Surface Plasmon Resonance, LSPR)的有效激發(fā),得到具有高靈敏度、高特異性和強(qiáng)微量分析能力的表面增強(qiáng)拉曼光譜(Surface-enhanced Raman scattering, SERS)以及使用高強(qiáng)度的激光和物質(zhì)分子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用而產(chǎn)生的受激拉曼散射(Stimulated Raman scattering, SRS),這都可以使拉曼信號被放大到幾個數(shù)量級,更豐富了拉曼光譜編碼在多個領(lǐng)域的應(yīng)用。

1 拉曼光譜編碼技術(shù)

1.1 基于拉曼光譜位移的編碼技術(shù)

基于拉曼位移的編碼技術(shù)是將具有不同拉曼位移的拉曼信號分子轉(zhuǎn)換成實際應(yīng)用中所需要的其他形式,通過對拉曼信號分子進(jìn)行組合,從而得到更多種不同的光譜信號輸出。研究者們常用位于拉曼指紋區(qū)和靜默區(qū)的信號分子進(jìn)行拉曼光譜編碼,通過不同種的組合方式得到更多的信號輸出。

其中比較常見的是在制備拉曼標(biāo)簽時對拉曼信號分子進(jìn)行編碼,研究者們一般使用物理共混、化學(xué)驅(qū)動等方式將拉曼信號分子組合到一起。Furkan Sahin等人[4]采用物理共混的方式,將拉曼信號分子直接摻雜到墨水中實現(xiàn)編碼。Liu等人[5]同樣采用物理共混的方式將拉曼信號分子進(jìn)行組合編碼,首先采用原位生長的方法制備了由銀納米粒子和棉紗組成的多功能等離子體織物,隨后將棉紗分別浸入單種拉曼信號分子溶液或多種拉曼信號分子混合溶液中,標(biāo)記等離子體棉紗,得到更多種拉曼光譜信號輸出。化學(xué)驅(qū)動拉曼信號分子進(jìn)行組合編碼的方式常被用在SERS編碼時的情況,在將拉曼信號分子修飾到金屬納米顆粒上時,將一種或多種拉曼信號分子修飾在金屬納米顆粒上實現(xiàn)編碼。Lai等人[6]使用微米級聚苯乙烯珠負(fù)載SERS活性納米顆粒,將4-巰基苯甲酸(MBA)、7-巰基-4-甲基香豆素(MMC)、2-巰基-4-甲基-5-噻唑乙酸(MMTAA)、5-硫代-2-硝基苯甲酸(MNBA)和2,3,5,6-四氟-4-巰基苯甲酸(TFMBA)作為光譜識別的拉曼信號分子修飾在金納米顆粒上。5種信號分子的拉曼特征峰分別為1080 cm-1(芳環(huán)的振動)、1172 cm-1(C=O振動)、1290 cm-1(CH2面內(nèi)變形)、1337 cm-1(對稱硝基拉伸振動)和1380 cm-1(環(huán)伸縮),都有較大差距,使用5種分子進(jìn)行排列組合共可以得到31種不同且易于區(qū)分的光譜,在單珠水平上實現(xiàn)了編碼。同樣只要增加拉曼信號分子的數(shù)量就可以得到更多種不同輸出的光譜,在多路生物標(biāo)志物檢測上有巨大潛力。Aberasturi等人[7]用苯乙醇(BT)、1-萘乙醇(1-NaT)、2-萘乙醇(2-NaT)、4-甲基苯乙醇(4-MBT)、聯(lián)苯-4-硫醇(4-BPT)和巰基吡啶(4-MP)作為拉曼信號分子制作了多路復(fù)用SERS納米標(biāo)簽,可以檢測、區(qū)分以及成像不同種細(xì)胞。

圖1 基于拉曼位移的編碼。(A)、(B)MBA、MMC、MMTAA、MNBA和TFMBA組合編碼,共得到31種光譜信號輸出;(C)BT、1-NaT、2-NaT、4-MBT、4-BPT和4-MP組合編碼Fig.1 Coding based on Raman displacement. (A), (B) Combined coding of MBA, MMC, MMTAA, MNBA and TFMBA, a total of 31 spectral signal outputs are obtained; (C) Combined encoding of BT, 1-NaT, 2-NaT, 4-MBT, 4-BPT, and 4-MP

與上述的在制備拉曼標(biāo)簽時就實現(xiàn)了編碼的方法不同,我們組還提出了點擊SERS、混頻SERS和組頻SERS的方法,使其在檢測的過程中使制備好的未編碼的SERS標(biāo)簽通過不同種方式聚集在一起,從而實現(xiàn)編碼。應(yīng)用了位于拉曼靜默區(qū)的信號分子,由于在靜默區(qū)無生物背景干擾并且特征峰更窄,在編碼方面更具優(yōu)勢。

其中,點擊SERS是根據(jù)其與點擊化學(xué)的相似性初步定義的,通過類似于點擊化學(xué)中的小分子單元的可控拼接,實現(xiàn)多種動態(tài)的光譜輸出,在高通量多重生物標(biāo)志物識別和精確的細(xì)胞成像方面具有巨大的編碼能力[8]。并在基于一步DNA雜交反應(yīng)和邏輯計算的多重液體活檢中得到驗證,從而能夠在一次掃描下同步檢測10個復(fù)雜的生物標(biāo)志物。

對于混頻SERS,我們用磁誘導(dǎo)聚集單個拉曼信號分子產(chǎn)生的SERS使其混合,發(fā)出均勻和特異的信號[9]。將三鍵編碼的SERS標(biāo)簽錨定磁珠表面,同時形成微尺度的核心-衛(wèi)星組裝結(jié)構(gòu)。在磁力的作用下,這些核心衛(wèi)星粒子聚集在一起完成編碼實現(xiàn)了多種目標(biāo)物檢測的需求。

與此同時我們組還開發(fā)了一系列CN橋接配位聚合物包封的金納米顆粒,CN橋的SERS發(fā)射可以通過用其他金屬離子簡單取代Fe2+/Fe3+來靈活調(diào)節(jié)。聚焦激光可以將幾種單一的三鍵的SERS發(fā)射編碼組合成一個獨特而獨立的輸出,即所謂的組頻SERS[10]。研究表明,僅使用拉曼靜默區(qū)中的n個不同的拉曼位移,組頻SERS就可以同時提供2n-1個編碼,可對多種細(xì)菌細(xì)胞進(jìn)行標(biāo)識。

1.2 基于拉曼光譜位移與強(qiáng)度的聯(lián)合編碼技術(shù)

使用基于拉曼光譜位移的編碼方法,想要獲得更大的編碼容量就需要大量的拉曼信號分子。盡管目前在售的拉曼信號分子數(shù)量比較多,但是當(dāng)用到大量的分子進(jìn)行編碼時難免會因為化學(xué)結(jié)構(gòu)相似而導(dǎo)致無法通過拉曼位移將它們清晰的區(qū)分出來,或者需要更加復(fù)雜的制備方式來獲取拉曼信號分子,這都限制了基于拉曼位移的編碼方法的實際編碼能力。若想只通過拉曼編碼方法得到更大的編碼容量,則可以引入拉曼信號強(qiáng)度,將拉曼位移與強(qiáng)度聯(lián)合編碼。擴(kuò)大拉曼編碼容量的方法,一種是使用更多種類型的拉曼信號分子n,另一種是增加化學(xué)物質(zhì)的濃度水平也就是拉曼信號強(qiáng)度級別m,共可以得到mn個組合。有以下幾種方法用于改變拉曼強(qiáng)度進(jìn)行編碼。

圖2 在檢測過程中進(jìn)行的編碼。(A)點擊SERS;(B)混頻SERS;(C)組頻SERSFig.2 Encoding during the detection process. (A) Click SERS; (B) Mixing SERS; (C)Combined SERS

首先可以通過改變拉曼信號分子合成過程中的單體的比例來改變拉曼信號強(qiáng)度。Zhu等[11]通過調(diào)節(jié)共聚中三種化學(xué)性質(zhì)不同的三鍵單體的相對劑量,設(shè)計了一類富含三鍵的聚合物納米顆粒(NP)。使用共聚合來調(diào)節(jié)4-乙烯基-2-甲氧基-丙烯腈和4-乙烯基-丙烯腈的比例,獲得了額外的拉曼活性聚合物,這些聚合物表現(xiàn)出雙三鍵拉曼特征,每個三鍵拉曼峰的拉曼強(qiáng)度比可變,該鍵合策略允許15種光譜上可區(qū)分的三鍵組合。

除此之外還可以通過調(diào)節(jié)拉曼信號分子共混的比例,實現(xiàn)拉曼信號強(qiáng)度的改變。Yu等人[12]將拉曼位移分別為2227和2241 cm-1的兩種含三鍵聚合物納米粒子設(shè)計成可打印油墨,通過將兩種聚合物納米粒子的體積比例分別調(diào)節(jié)為3∶1、2.5∶1、2∶1、1.5∶1、1∶1、1∶1.5、1∶1.2獲得拉曼特征峰相同但拉曼信號強(qiáng)度不同的光譜,包括兩種聚合物單獨存在和都不存在的情況,共能夠?qū)崿F(xiàn)10種不同的信號輸出。

Zou等人[13]通過液滴光流技術(shù)開發(fā)了SERS編碼磁珠,選擇DTP、BTP和MMTAA三種分子作為編碼用的拉曼信號分子,根據(jù)信號的強(qiáng)弱將拉曼信號強(qiáng)度分為0、1、2三個級別。通過拉曼位移和強(qiáng)度聯(lián)合編碼,3種信號分子和三個級別強(qiáng)度可以獲得26個不同的光譜。Huo等人[14]選用4-MBA、R6G、MB、CV、三聚氰胺、4-ATP、4-MPy、乙醇和MG這9種拉曼信號分子進(jìn)行編碼,只使用9種物質(zhì)是否存在進(jìn)行排列組合就可以得到512種可能的排列組合,同時他們發(fā)現(xiàn)可以通過改變拉曼信號分子在標(biāo)簽中的化學(xué)濃度來擴(kuò)大信息容量。由于它們的峰值強(qiáng)度可以很好的在PCA評分圖中區(qū)分,以MG為例,當(dāng)MG濃度分別為100、50、25和0 μM時,它們的拉曼強(qiáng)度明顯不同并易于區(qū)分,如果這9種物質(zhì)都可以在4種不同濃度下被區(qū)分則可以實現(xiàn)262144種組合。

1.3 拉曼光譜與熒光信號聯(lián)合編碼技術(shù)

通過拉曼位移和強(qiáng)度聯(lián)合編碼可以獲得較大的編碼容量,但是大部分有機(jī)拉曼信號分子的光譜區(qū)域在500-2000 cm-1的范圍內(nèi),并且常用的拉曼信號分子部分具有類似的化學(xué)結(jié)構(gòu)。盡管拉曼光譜具有相對非常窄的帶寬,但當(dāng)同時使用多個信號分子的時候,盡管是非常窄的帶寬仍然會變得相當(dāng)擁擠,導(dǎo)致不可避免的光譜重疊,這導(dǎo)致解碼多個信號分子時會變得十分困難,大大限制了實際可用的拉曼信號分子數(shù)量。為了解決這些問題,可以將其他信號引入到編碼方法中,例如將拉曼與熒光聯(lián)合編碼,因為與拉曼信號互不干擾,熒光信號的引入可以緩解當(dāng)拉曼信號分子過多時造成的光譜重疊的問題,有效的提升了編碼能力。除此之外,還可以將拉曼編碼與現(xiàn)有的信息技術(shù)編碼相結(jié)合,例如條形碼、二維碼或二進(jìn)制編碼等,也可以增大編碼容量,提升了編碼能力。

圖3 基于拉曼位移與強(qiáng)度的編碼。(A)調(diào)節(jié)共聚中三種化學(xué)性質(zhì)不同的三鍵單體的相對劑量改變拉曼信號強(qiáng)度;(B)調(diào)整拉曼信號分子共混比例改變信號強(qiáng)度;(C)將拉曼信號強(qiáng)度分為0、1、2三個級別編碼Fig.3 Coding based on Raman displacement and intensity. (A) Adjusting the relative dose of three chemically different tribonded monomers in copolymerization changes the Raman signal intensity; (B) Adjusting the blending ratio of Raman signal molecules to change the signal strength; (C) The Raman signal strength is divided into three levels of 0, 1 and 2

為了解決單一使用拉曼信號分子編碼時導(dǎo)致的光譜重疊限制編碼容量的問題,將熒光信號引入到編碼方法中,使用拉曼與熒光聯(lián)合編碼,可以緩解光譜重疊的問題,大大地提高了編碼容量。Li等人[15]設(shè)計并制備了一種新型的雙模編碼磁性復(fù)合微球(FMF/MNP/AgNPs/SiO2),使用了3種熒光信號分子(7-HCM、FITC和PHB)和4種拉曼信號分子(ATP、CTP、DTNB和HTP)拉曼與熒光聯(lián)合編碼方法進(jìn)行了探索,可以實現(xiàn)128種不同的信號輸出,這也證實了拉曼與熒光聯(lián)合編碼的可能,可以使用更多不同的熒光信號分子和拉曼信號分子組合在一起獲得更大的編碼能力。Wang等人[16]通過使用具有納米層結(jié)構(gòu)的有機(jī)-金屬-量子點(QD)雜化納米顆粒(OMQ-NP),證明了一種新的光學(xué)編碼方法概念,即表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)-熒光聯(lián)合光譜編碼方法(SFJSE),這種方法有兩個特點,大大地擴(kuò)大了編碼容量。首先,通過使用聯(lián)合SERS熒光信號作為編碼元件,由于利用了光致發(fā)光(PL)和SERS光譜區(qū)域,可用于編碼的光譜范圍被加寬,從而可以有更多在光譜上可區(qū)分的代碼,此外,還考慮了強(qiáng)度編碼模式,使編碼容量進(jìn)一步增大。所提出的SFJSE方法,實際可以生成的代碼數(shù)量遠(yuǎn)多于通過傳統(tǒng)的基于熒光或SERS的編碼方法生成的代碼。他們采用了具有2個不同發(fā)射波長的CdTe量子點,以及2個拉曼信號分子,4-巰基苯甲酸(4MBA)和5,5′-二硫代雙(2-硝基苯甲酸)(DTNB)。將上述量子點和拉曼信號分子進(jìn)行組合,總共可以得到15個具有不同信號的光譜,并且可以簡單地通過增加量子點和拉曼信號分子的數(shù)量來增大編碼容量。

圖4 拉曼光譜編碼與熒光相結(jié)合。(A)利用7-HCM、FITC和PHB作為熒光信號分子,ATP、CTP、DTNB和HTP作為拉曼信號分子的雙模編碼微球;(B)2個不同發(fā)射波長的CdTe量子點,以及2個拉曼信號分子得到的15種信號輸出Fig.4 Raman spectral coding combined with fluorescence. (A) Dual-mode coded microspheres using 7-HCM, FITC and PHB as fluorescence signaling molecules and ATP, CTP, DTNB and HTP as Raman signaling molecules; (B) 2 CdTe quantum dots with different emission wavelengths, and fifteen signal outputs from two Raman signal molecules

1.4 拉曼光譜編碼技術(shù)與其他編碼方法結(jié)合

為了使解碼更方便,常常將拉曼編碼與信息技術(shù)聯(lián)合編碼,例如條形碼、二維碼和二進(jìn)制編碼等,這可以提高拉曼編碼的編碼能力。

當(dāng)進(jìn)行編碼和解碼時,復(fù)雜的光譜識別比較是一個棘手的問題。一種簡便的方法就是將拉曼光譜與條形碼相結(jié)合,可以將位移和強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換成條形碼中的不同位置和不同寬度的平行線來簡化光譜信息,更易于識別。Zhou等[17]就將得到的拉曼光譜信息轉(zhuǎn)換成了條形碼,使x軸覆蓋拉曼光譜的范圍,每個特征峰在其相應(yīng)位置被轉(zhuǎn)換為條形。拉曼強(qiáng)度相對于最強(qiáng)峰值分為三類:低(6.25-25%)、中(25-62.5%)和高(>62.5%),分別將它們標(biāo)記為細(xì)條、中條和粗條,通過這樣的規(guī)則獲得了一系列條形碼,保留了峰值位置和強(qiáng)度這些最重要的信息。生成的條形碼可以通過智能手機(jī)讀取,因此可以很容易地識別其復(fù)雜信息。

另外一種與條形碼和二維碼結(jié)合使用的方法是將拉曼位移或強(qiáng)度作為第三維信息存儲在其中,可以獲得更大的編碼容量,而且提高了二維碼解碼的安全性。Sahin等人[2]通過噴墨打印無顆粒活性銀墨水制作二維碼,將羅丹明6G、亞甲基藍(lán)和羅丹明B作為拉曼信號分子結(jié)合到墨水中,用于按需打印二維碼中的圖案。與上一個研究不同的是,他們用不同的拉曼墨水打印出預(yù)設(shè)好的二維碼圖案來應(yīng)用,而不是將光譜信息轉(zhuǎn)換成條形碼進(jìn)行儲存并解碼。

除上述兩種方法以外,為了存儲和區(qū)分方便將拉曼光譜編碼與二進(jìn)制編碼結(jié)合。Lai等人[6]使用二進(jìn)制符號來表征5種拉曼信號分子的組合,其中“1”表示相應(yīng)拉曼特征峰的存在和“0”表示不存在。當(dāng)只具有一種拉曼信號分子時二進(jìn)制的代碼可能為10000、01000、00100、00010和00001,具有兩種拉曼信號分子時的10種不同代碼11000、10100、10010、10001、01100、01010、01001、00110、00101和00011,同理可得帶有三種和四種拉曼信號分子時的代碼,當(dāng)五種信號分子都存在時只能生成一個代碼11111。這樣可以更直觀清晰的識別出編碼種類。

圖5 拉曼光譜編碼與條形碼、二維碼和二進(jìn)制編碼的結(jié)合。(A)將拉曼光譜的位移強(qiáng)度信息轉(zhuǎn)換成條形碼;(B)用不同拉曼信號分子打印出二維碼;(C)將拉曼位移存在與否定義為1或0,轉(zhuǎn)換為二進(jìn)制編碼Fig.5 Combination of Raman spectral coding with bar code, two-dimensional code and binary coding. (A) Convert the shift intensity information of Raman spectra into bar codes; (B) Printed QR codes with different Raman signaling molecules; (C) The presence or absence of Raman shift is defined as 1 or 0 and converted to binary encoding

2 拉曼光譜編碼技術(shù)的應(yīng)用

2.1 拉曼光譜編碼在生物醫(yī)學(xué)檢測及成像中的應(yīng)用

近年來,醫(yī)學(xué)診斷領(lǐng)域迫切需要能夠?qū)崿F(xiàn)生物分子高通量檢測的方法。傳統(tǒng)的檢測方法,如酶聯(lián)免疫吸附測定法(ELISA)和化學(xué)發(fā)光免疫測定法是昂貴的,并且只允許單通道分析。為了解決這些問題大部分人提到了用拉曼編碼方法來滿足高通量檢測需求。目前拉曼編碼方法常被用在癌癥診斷中,可通過檢測癌細(xì)胞中特定分子的存在,實現(xiàn)早期癌癥的檢測和診斷。此外,拉曼編碼還可用于細(xì)胞和組織的分子成像,可以非常細(xì)致地觀察到不同細(xì)胞或組織內(nèi)部的分布情況。

圖6 (A)基于拉曼編碼的特定亞細(xì)胞細(xì)胞器的多重成像;(B)使用CMSSMS NP進(jìn)行精確的單細(xì)胞監(jiān)測Fig.6 (A) Multiple imaging of specific subcellular organelles based on Raman coding; (B) Precise single-cell monitoring using CMSSMS NP

生物標(biāo)志物的分析和篩選是疾病早期診斷的有力工具。到目前為止,已發(fā)現(xiàn)的與癌癥相關(guān)的生物標(biāo)志物包括蛋白質(zhì)(例如受體、癌癥抗原)和微RNA(miRNAs)等。拉曼編碼已經(jīng)被用于檢測多種腫瘤標(biāo)志物,例如AFP、HER2、PSA等,可以實現(xiàn)對腫瘤的早期診斷和治療。在這種應(yīng)用中,使用編碼后的不同的拉曼標(biāo)簽來標(biāo)記不同的腫瘤標(biāo)志物,通過檢測樣本中的拉曼信號來確定腫瘤標(biāo)志物的存在和數(shù)量。這種方法具有高靈敏度和高特異性,并且可以在非侵入性的條件下進(jìn)行,具有超高的多路復(fù)用能力。例如Zou等人[13]使用單分散SERS編碼的磁性納米球作為構(gòu)建塊,開發(fā)了周期性SERS編碼磁珠(PSE-MBs)。當(dāng)PSE-MBs在基于SERS的免疫測定中用作捕獲載體時,根據(jù)收集的SERS編碼信號,可以容易地識別SERS納米探針的多靶分析物和聚焦信號。因此,通過這種檢測方案可以方便地實現(xiàn)對多種目標(biāo)分析物的可靠定量分析。他們還實際測試了包括AFP和CEA在內(nèi)的兩種腫瘤生物標(biāo)志物,多重檢測結(jié)果表明,PSE-MBs可以在基于SERS的多重生物測定中作為強(qiáng)大的捕獲載體,在實際臨床樣本分析中具有高靈敏度、高選擇性和可靠性。

與此同時,IgG的檢測對于確定感染性或免疫系統(tǒng)相關(guān)疾病也很重要。通常通過IgG與其特異性抗體之間的免疫識別來實現(xiàn)IgG的種類和濃度識別。例如Wang等人[16]制備了三種不同類型的SERS標(biāo)記編碼微石英片(MQP)用于多重蛋白質(zhì)檢測,將它們分別與小鼠IgG、兔IgG和人IgG結(jié)合,對其進(jìn)行解碼后與標(biāo)記的抗體種類一致,表明編碼后的MQP可以捕獲特異性抗體。

除了對生物標(biāo)志物等的高通量檢測應(yīng)用,拉曼光譜編碼在生物成像上的應(yīng)用時近年來在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的一個熱點研究方向,可以實現(xiàn)活細(xì)胞的動態(tài)監(jiān)測。相比傳統(tǒng)成像技術(shù),如熒光成像、MRI等,拉曼成像技術(shù)具有非破壞性、無需染色、高分辨率等優(yōu)勢,被廣泛應(yīng)用于生物成像中,而引入拉曼編碼方法更是在具有上述優(yōu)勢的同時還擁有超高的多路復(fù)用能力。Zhu等人[11]設(shè)計了一類富含三鍵的聚合物納米顆粒,為了證實拉曼活性聚合物的多路復(fù)用能力可以同時觀察活細(xì)胞中的多個亞細(xì)胞器,選擇了三種拉曼探針(ER-P1、Lyso-P3、CM-P8)對活MCF-7細(xì)胞中的細(xì)胞器進(jìn)行共染色?；诨頜CF-7細(xì)胞中獨特拉曼光譜的顏色編碼,確定了每個亞細(xì)胞器的空間位置。此外,通過生物透射電子顯微鏡(在相關(guān)細(xì)胞器中直接檢測到細(xì)胞內(nèi)聚合物,實現(xiàn)了高通量多色生物醫(yī)學(xué)成像。Su等[18]合成了等離子體編碼拉曼散射納米顆粒,命名為Au核-拉曼信號分子-Ag殼-Au殼納米顆粒(CMSS NPs)。單個CMSS NP在單細(xì)胞拉曼成像中表現(xiàn)出超高亮度、再現(xiàn)性、選擇性和生物相容性,可以用于單個癌癥細(xì)胞成像和識別,以及體內(nèi)腫瘤成像。

總體而言,拉曼編碼技術(shù)由于其快速且可以實現(xiàn)高通量檢測等優(yōu)勢,在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用前景非常廣闊,但目前仍然存在一些技術(shù)挑戰(zhàn)和限制,如信噪比、特異性等方面的問題。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展和完善,相信拉曼編碼在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用將會更加成熟和廣泛。

2.2 拉曼光譜編碼在信息安全中的應(yīng)用

除了在成像、生物分析檢測方面的應(yīng)用,不少人也致力于研究拉曼編碼在信息領(lǐng)域的應(yīng)用,如大容量的信息存儲、信息加密和防偽領(lǐng)域。

可以使用拉曼光譜來編碼信息并記錄到介質(zhì)中,然后通過讀取編碼信息來恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。這種方法可以實現(xiàn)高密度、快速和長期的數(shù)據(jù)存儲。對于大容量的信息存儲,一般使用拉曼位移和拉曼信號強(qiáng)度聯(lián)合編碼的方法實現(xiàn),并常常與計算機(jī)編碼方式相結(jié)合使其更簡便且能存儲更多信息。例如Tang等人[19]使用拉曼靜默區(qū)的炔烴分子的強(qiáng)烈自發(fā)拉曼散射的方法,創(chuàng)建了4個光譜波段的多個炔類化合物庫。在每個波段中,每個單一化合物保持特定的拉曼位移,并允許使用與參考化合物以指定劑量混合的策略設(shè)計八進(jìn)制碼單元。這種新方法在實驗上產(chǎn)生了迄今為止最大容量的不同光學(xué)條形碼。將ASCII和Unicode系統(tǒng)編碼為寫和讀語言的實驗表明,拉曼編碼方法為超大容量數(shù)據(jù)存儲提供了一種新的策略。

拉曼編碼還被廣泛應(yīng)用于信息加密領(lǐng)域。由于拉曼光譜具有獨特的光學(xué)指紋特征和高度的靈敏性,因此可以用于編碼和解碼秘密信息。在拉曼編碼的基礎(chǔ)上,研究人員開發(fā)了許多不同的信息加密方法。例如在進(jìn)行信息加密時可以通過拉曼位移和拉曼信號強(qiáng)度的雙重加密提高信息的安全性。Li等人[20]設(shè)計并開發(fā)出一種水溶性和可官能化的聚二炔類化合物聚4,6-二炔癸二酸(poly(deca-4,6-diynedioic acid),簡稱 PDDA,只需調(diào)整13C/12C-DDA共混物中13C-DDA的摩爾比,就能精確地將不同比例的13C同位素加入到PDDA主鏈中,對雙鍵的拉曼位移和三鍵(13C≡13C和12C≡12C)的拉曼信號強(qiáng)度比進(jìn)行連續(xù)可控的調(diào)節(jié)。使用PDDA制備的墨水的固有顏色都是相同的黃色,肉眼無法分辨。并通過拉曼位移和拉曼強(qiáng)度雙重加密信息,提高了安全性。利用了拉曼光譜的獨特特性和高度靈敏性來實現(xiàn)信息的安全編碼和解碼,展示了拉曼編碼在信息加密領(lǐng)域的廣闊應(yīng)用前景除了在信息存儲和加密方面的應(yīng)用,大部分拉曼光譜編碼方法還用來制備防偽標(biāo)簽。假冒是一個全球性的長期問題,它對從鈔票、貴重文件、藥品、奢侈品到普通消費品的各種產(chǎn)品造成了重大的負(fù)面影響,危及經(jīng)濟(jì)、安全和人類健康等。近年來拉曼光譜由于其優(yōu)異的綜合性能和更高的安全指數(shù)在防偽中的應(yīng)用比例大大增加。通過將拉曼標(biāo)簽添加到產(chǎn)品或包裝上,可以生成一個唯一的“指紋”,以防止產(chǎn)品被偽造或替代。將條形碼、二維碼等編碼技術(shù)與拉曼光譜編碼相結(jié)合,增大了拉曼防偽標(biāo)簽解碼難度。例如Zhou等[17]將制備的SERS油墨應(yīng)用于簽名防偽,所得光譜被轉(zhuǎn)換為條形碼,通過智能手機(jī)應(yīng)用程序很容易檢測到條形碼,使SERS在簽名防偽方面的實際應(yīng)用又近了一步。Yu等[12]使用墨水打印各種像素圖案,包括二維碼。因為墨水的物理外觀相同,肉眼看來并不能識別到其中的二維碼信息。通過拉曼解碼可以顯示其中的二維碼信息。此外,值得注意的是,因為二維碼本質(zhì)上是由黑白兩色的像素點組合而成的 ,所以相同打印圖案使用不同的解碼方式可以得到完全相反的兩種不同類型的信息。通過將二維碼信息隱藏在肉眼不可分辨的圖案中,只有通過特定的解碼方式才能獲取正確的二維碼信息,增大了解碼難度,提高了防偽水平。

圖7 (A)拉曼編碼用于高容量信息存儲;(B)用于多維信息存儲和加密;(C)隱藏二維碼和字母等信息,可作為防偽標(biāo)簽Fig.7 (A) Raman coding is used for high-capacity information storage; (B) for multi-dimensional information storage and encryption; (C) Hiding information such as QR codes and letters, which can be used as anti-counterfeiting labels

3 總結(jié)與展望

本文中我們介紹了拉曼編碼的主要原理、拉曼與熒光、條形碼和二維碼等聯(lián)合編碼的方法以及目前它們在不同領(lǐng)域的應(yīng)用。

現(xiàn)階段拉曼光譜編碼的應(yīng)用主要集中在生物醫(yī)學(xué)檢測成像及信息安全等方面。拉曼光譜編碼在生物醫(yī)學(xué)檢測的領(lǐng)域有巨大的應(yīng)用前景,但目前仍舊停留在研究階段,距離實際的臨床應(yīng)用還有很多問題需要解決。例如拉曼成像技術(shù)在大面積檢測與實時檢測的方面仍有欠缺,無法在較短時間內(nèi)得到診斷結(jié)果。今后仍需致力于實現(xiàn)快速、實時的拉曼信號采集并且能夠在短時間內(nèi)得到檢測結(jié)果。在信息安全領(lǐng)域的應(yīng)用也存在如上所述的問題,除此之外例如防偽標(biāo)簽等應(yīng)用還要求能夠進(jìn)行現(xiàn)場的驗證,目前的拉曼光譜儀體積相對較大且價格偏高,想要大范圍的實現(xiàn)現(xiàn)場檢測的需求仍有一段距離。

對于拉曼光譜來說,它可以獲取任何分子的獨特振動指紋峰,并且拉曼特征峰的帶寬很窄,理論上這使得拉曼光譜具有無限數(shù)量的光譜特征,同時能夠引入的拉曼強(qiáng)度和其他方法相結(jié)合的編碼方法使得它的編碼能力大大增強(qiáng)?？墒侨詴嬖谝恍﹩栴},比如當(dāng)用到大量的分子進(jìn)行編碼時難免會因為化學(xué)結(jié)構(gòu)相似而導(dǎo)致無法通過拉曼位移將它們清晰的區(qū)分出來,或者需要更加復(fù)雜的制備方式來獲取拉曼信號分子,拉曼強(qiáng)度可能會存在不太穩(wěn)定的情況,這些都限制了基于拉曼編碼方法的實際編碼能力。

目前仍需要致力于發(fā)掘制備更簡便、強(qiáng)度更穩(wěn)定、應(yīng)用范圍更廣的拉曼信號 分子,適當(dāng)將拉曼編碼與其他方法相結(jié)合,獲取更高精度、容量更大的編碼方法。