【研究背景】
光学显微镜的发展在过去几十年已经在现代生物科学的发展中起到了关键作用。拉曼散射振动显微镜一直被认为是最有前途的和强大的细胞成像的工具之一。拉曼成像技术具有许多独特的优点，应用前景广泛。然而，普通分子拉曼散射信号的强度较低，一直以来都是限制拉曼成像技术发展的主要瓶颈。为了提高拉曼信号强度，研究者们从许多不同的领域开展了研究工作：从材料学的角度，表面增强拉曼（SERS）是一种有效的策略；从光物理学的角度，利用相干反斯托克斯拉曼散射（CARS）或受激拉曼散射（SRS）技术能够显著提高分子的拉曼信号。尽管上述增强拉曼信号的技术能够一定程度上解决该领域所面临的困难，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，如何利用合适的分子设计获得本身具有高强度拉曼信号的新型分子仍然是具有重大意义和挑战性的研究工作。
【成果简介】
为解决以上问题，华中科技大学罗亮教授、王平教授、孟凡玲副教授以及纽约州立大学石溪分校Joseph W. Lauher教授等人为了解决聚二乙炔的上述问题，使用宿主-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）。与传统的小分子炔烃报告基因相比，实验观察到PDDA炔烃拉曼信号具有显著的性能增强（104倍）。PDDA溶液中C≡C键的浓度比其他探针中的拉曼活性键（C≡C，C≡N和叠氮化物）低几个数量级，但PDDA的C≡C键峰强度为仍远高于其他任何一个。更为引人注目的是，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。该文章近日以题为“Polydiacetylene-based ultrastrong biorthogonal Raman probes for targeted live-cell Raman imaging”发表在知名期刊Nat. Commun.上，本文第一作者为华中科技大学生命学院博士后田斯丹，国家光电研究中心博士生李昊政和纽约州立大学石溪分校Li Zhong博士。
【图文导读】
图一、基于聚二乙炔的拉曼探针，用于靶向活细胞拉曼成像
（a）用于制备PDDA的拓扑化学聚合。
（b）PDDA的DMSO溶液和一系列典型拉曼探针的叠加拉曼光谱，包括1、乙炔基苯；2、EdU；3、磷酸叠氮二苯酯；4、二苯基丁二炔；5、苄腈；6、5-溴戊腈；7、十-4，6-二炔二酸。
（c）用于靶向拉曼成像的亚细胞器的PDDA侧链修饰的示意图。
图二、用于PDDA合成的单晶内的拓扑化学聚合
（a）在宿主-客体超分子结构中与宿主1形成的DDA单体的有序排列。
（b-c）用单晶x射线衍射确定了PDDA与宿主1的共晶结构的侧视图和俯视图。
（d）PDDA·1共晶的显微镜图像。
（e）不同pH值时的PDDA水溶液照片。
图三、溶液中PDDA聚合物的表征
（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。
（d）在2120 cm-1的PDDA水溶液中，相对拉曼强度作为C≡C键在PDDA中的浓度的函数。
图四、各个炔类的C≡C键正规化RIE（相对拉曼强度）
图五、不同官能团的PDDA侧链修饰为P2、P3、P4的衍生物，可靶向于特定的亚细胞器
图六：SRS系统和固定HeLa细胞的SRS图像
（a）SRS成像系统的仪器设置示意图。
（b）基于PDDA标记的HeLa细胞振动成像的受激拉曼跃迁过程。
（c）分别50μM P2, P3和P4处理的Hela细胞的SRS图像（2120 cm-1）。
（d）在（c）的红色方框中，P2染色的HeLa细胞样品的SRS谱，以P2在水溶液中的自发拉曼光谱为参考。
图七：不同处理的Hela细胞的SRS图像
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。
【结论展望】
综上所述，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体细胞拉曼成像的本征拉曼报告。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。基于此高强度的拉曼信号，这种新型拉曼探针的检测限可降低至10 nM。功能化PDDA侧链提供了多种基于聚二乙炔的超振动靶标，这些超振动靶标作为拉曼活性纳米材料具有独特的成像应用优势。此外，PDDA可以与其他拉曼增强技术(如SERS)结合使用，以实现更强的拉曼活性纳米材料，有望打破现有的拉曼成像灵敏度上限。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。
文献链接：Polydiacetylene-based ultrastrong biorthogonal Raman probes for targeted live-cell Raman imaging (Nat. Commun, 2020, DOI: 10.1038/s41467-019-13784-0)
团队简介：
罗亮，中组部青年“千人计划”入选者，现任华中科技大学国家纳米药物工程技术研究中心PI，生命科学与技术学院教授、博士生导师。2009年在美国纽约州立大学石溪分校取得化学博士学位，2009-2012年在美国明尼苏达大学化工材料系进行博士后研究，2012-2015年在美国百时美施贵宝制药公司研发中心任职研究员，并担任美国康涅尼格州中美医药开发协会会长。
课题组主页：http://liangluogroup.wqdian.cn/
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