Raman-spectroscopie wordt veel gebruikt in de analytische wetenschappen om moleculen te identificeren via hun structurele vingerafdruk. In de biologische context levert de Raman-respons een waardevol labelvrij specifiek contrast op dat het mogelijk maakt om verschillende cellulaire en weefselinhoud te onderscheiden. Helaas is spontane Raman-verstrooiing erg zwak, meer dan tien ordes van grootte zwakker dan fluorescentie. Het is niet verwonderlijk dat fluorescentiemicroscopie vaak de voorkeur heeft voor toepassingen zoals beeldvorming van levende cellen. Gelukkig kan Raman drastisch worden verbeterd op metalen oppervlakken of in metallische nanogaps en deze oppervlakversterkte Raman-verstrooiing (SERS) kan zelfs de fluorescentierespons overwinnen. Nanometrische SERS-sondes zijn dus veelbelovende kandidaten voor biologische detectietoepassingen, waarbij de intrinsieke moleculaire specificiteit behouden blijft. Toch hangt de effectiviteit van SERS-sondes kritisch af van de deeltjesgrootte, stabiliteit en helderheid, en tot dusver wordt op SERS-sonde gebaseerde beeldvorming zelden toegepast.
Nu hebben ICFO-onderzoekers Matz Liebel en Nicolas Pazos-Perez, die werken in de groepen van ICREA-professoren Niek van Hulst (ICFO) en Ramon Alvarez-Puebla (Univ. Rovira i Virgili), “holografische Raman-microscopie” gepresenteerd. Ten eerste synthetiseerden ze plasmonische superclusters uit kleine bouwstenen van nanodeeltjes om zeer sterke elektrische velden te genereren in een beperkte clustergrootte. Deze extreem heldere SERS-nanosondes vereisen een zeer lage belichting met licht in het nabij-infrarood, waardoor mogelijke fotoschade van levende cellen tot een minimum wordt beperkt en Raman-beeldvorming met een breed veld mogelijk is. Ten tweede maakten ze gebruik van de heldere SERS-sondes om 3-D holografische beeldvorming te realiseren, gebruikmakend van het schema voor onsamenhangende holografische microscopie ontwikkeld door Liebel en team in een studie in Science Advances. Opmerkelijk is dat de onsamenhangende Raman-verstrooiing wordt gemaakt om “zichzelf te verstoren” om voor de eerste keer Raman-holografie te bereiken.
Liebel en Pazos-Perez demonstreerden Fourier-transformatie Raman-spectroscopie van de wide-field Raman-beelden en waren in staat om single-SERS-deeltjes in 3D-volumes te lokaliseren vanuit één enkele opname. De auteurs gebruikten deze mogelijkheden vervolgens om afzonderlijke SERS-nanodeeltjes in levende cellen in drie dimensies te identificeren en te volgen.
De resultaten, gepubliceerd in Natuur Nanotechnologie vormen een belangrijke stap in de richting van multiplexed enkelschots driedimensionale concentratiekartering in veel verschillende scenario’s, waaronder het ondervragen van levende cellen en weefsels en mogelijk toepassingen tegen namaak.
Matz Liebel et al. Raman-verstrooiingsholografie met verbeterde oppervlakte, Natuur Nanotechnologie (2020). DOI: 10.1038 / s41565-020-0771-9
Science Advances
,
Natuur Nanotechnologie
Geleverd door ICFO