拉曼光谱技术被广泛应用于分析科学中，通过分子的光谱信息识别不同种类的分子。在生物学中，拉曼光谱技术也是一项非常重要的技术，无需标记即可区分不同的细胞和组织。然而，自发拉曼散射强度非常弱，比荧光信号还要弱十多个数量级。因此在一般情况下，在诸如活细胞成像等情况中往往优先选择荧光显微镜。幸运的是，拉曼散射可以在金属表面及金属纳米间隙中得到显著增强，这种表面增强拉曼散射（SERS）的强度甚至超过荧光信号。纳米颗粒表面增强拉曼散射探针不会破坏分子固有的特异性，具有广阔的生物传感应用前景。然而，表面增强拉曼散射探针的有效性主要取决于颗粒的大小、稳定性和亮度，目前为止，表面增强拉曼散射探针成像几乎没有实际应用。
近日，西班牙光子科学研究所（ICFO）的研究人员Matz Liebel和Nicolas Pazos-Perez（就职于加泰罗尼亚高等研究院（ICREA）Niek van Hulst教授课题组），以及Ramon Alvarez-Puebla（罗维拉-威尔吉利大学），提出了“全息拉曼显微镜”的概念。首先，研究人员将小型纳米粒子组装成等离激元纳米粒子超团簇，在受限的超团簇内产生高强度电场。这种超明亮的SERS纳米探针仅需要使用非常低的近红外照明，从而将对活细胞的可能造成的光损伤降低到最低，并使得宽场拉曼成像成为可能。其次，研究人员采用了Liebel及其团队发表于Science Advances上的非相干全息显微镜方案，利用明亮的SERS探针实现了3D全息成像。值得注意的是，此次利用非相干拉曼散射实现了“自干涉”，首次实现了拉曼全息。
图 1 活细胞中单个SERS粒子跟踪
Liebel和Pazos-Perez展示了宽场拉曼图像的傅里叶变换拉曼光谱，能够在单次发射中实现单粒子三维空间定位。随后，研究人员进一步实现了三维空间中活细胞内的单个SERS纳米粒子的识别和跟踪。
此项研究成果发表在Nature Nanotechnology上。未来，单次拉曼全息照相的光谱多路复用3D浓度映射有望在活细胞和组织研究、防伪技术等多个场景中得到应用。
