华中科技大学《自然·通讯》: 检测限低至10 nM的生物正交拉曼探针
拉曼成像技术具有许多独特的优点，应用前景广泛。但是，分子拉曼散射信号的强度较低，限制了拉曼成像技术的发展。为了提高拉曼信号强度，研究者从材料学的角度，表面增强拉曼（SERS）；从光物理学角度，利用相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）或受激拉曼散射（SRS）技术显著提高分子的拉曼信号，进行了大量研究。但是，分子本身拉曼信号强度低的问题仍然没有得到根本的解决。因此，如何设计具有高强度拉曼信号的新型分子是具有重大意义和挑战性的研究工作。
近日，华中科技大学罗亮、王平、孟凡玲教授团队利用主-客体超分子支架策略设计并合成了一种水溶性且可官能化的聚二乙炔聚-4,6-二炔葵二酸（PDDA），与传统的炔拉曼探针相比，PDDA具有显著增强炔振动（高达10000倍）。PDDA是水溶性的，其丙酸侧链允许其作多功能超强拉曼探针的通用平台。基于这些PDDA衍生物，作者使用低激光功率和时间常数的SRS实现了具有高时空分辨率的亚细胞细胞器的高光谱活细胞拉曼成像。
【图文解析】
图1 聚丁二炔拉曼探针用于靶向细胞器成像
采用主客体超分子支架策略，通过固态的拓扑聚合合成了一种水溶性和功能性PDDA（图1a）。与传统的小分子炔烃相比， PDDA的炔烃拉曼信号增强了约104倍(图1b)。PDDA溶液中C-C键的浓度比其它探针中拉曼活性键的浓度低几个数量级，但PDDA的C-C键峰值强度仍明显高于其它探针。更引人注目的是，PDDA是水溶性的，对侧链丙酸进行官能团改造可构建一系列拉曼探针的平台，如：小分子或肽功能化，PDDA靶向细胞器进行实时拉曼成像（图1c）。
（a）利用拓扑化学聚合制备PDDA; （b）PDDA的单个DMSO溶液的叠加拉曼光谱和代表性的拉曼探针;（c）示意图
图2 在单晶内进行拓扑化学聚合合成PDDA
使用双（吡啶基）草酰酰胺主体制备DDA，形成具有所需间距的自互补氢键框架。主客体支架可以将DDA单体作为主客体与有利于拓扑化学聚合的间距几何体对齐（图2a）。通过XRD表征了主客体共晶中DDA的完全聚合和PDDA的生成，图2b(侧视图)和图2c(顶视图)。高聚合度和完全平面骨架构象赋予了聚合物金属外观和闪亮的金色（图2d）。丙酸取代基的存在使得PDDA在水溶液中具有高溶解度，利用这一特性，PDDA可以从主-客体共晶体中分离出来。从其晶格中提取后，分离出的聚合物在纯水和DMSO中具有很好的溶解度，在pH 6-8范围内形成透明的水溶液，呈现出明显的变化（图2e）。
（a）在主-客体超分子结构中生成的DDA单体与主体1的有序排列; （b-C）PDDA与主体1的单晶XRD结构图；（d）PDDA1显微镜图像;（d）不同pH值的PDDA水溶液。
图3 在溶液中表征PDDA聚合物
聚合物共晶和聚合物水溶液的拉曼光谱相似，在细胞沉默区均表现出与C-C键延伸(共晶2045 cm-1，溶液2120 cm-1)对应的强峰（图3a）。分离得到的聚合物在重水中的1H NMR在2.46和2.74ppm处仅显示两个宽的质子峰，归属于聚合物侧链的α和β亚甲基质子（图3b）。图3c显示了50 mM DPY的DMSO溶液与不同浓度PDDA混合后的拉曼光谱。PDDA的拉曼强度与浓度呈良好的线性关系，当PDDA溶液中C-C键浓度小于1μM时，其拉曼强度随浓度的增加而增大，信噪比大于10（图3d）。
（a）PDDA水溶液和PDDA共晶的拉曼光谱；（b）D2O中的PDDA聚合物和DDA单体的1H NMR谱图；（c）PDDA和DPY混合DMSO溶液的拉曼光谱。
图4 不同PDDA衍生物（P2、P3、P4）靶向于特定的亚细胞细胞器
图5海拉细胞的拉曼成像
不同波长（2120 cm-1和2850 cm-1）下，分别用P2, P3, P4对Hela细胞的SRS图像及重叠图像。
【小结】
综上，作者证明了具有超强烷基拉曼信号的聚二乙炔衍生物可以作为活细胞拉曼成像。PDDA的C≡C键化RIE值可以达到2.3×104，是现有其他炔烃的104倍，检测限可降低至10 nM。而且，功能化PDDA侧链可提供多种基于聚二乙炔的超振动靶标。因此，这种新型水溶性共轭聚丁二炔克服了拉曼成像领域中的重大难题，是一种极具前景的拉曼成像探针。
原文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-019-13784-0
名称：材料科学前沿
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