在活细胞内观察化学过程的变化是现代生物成像面临的最大挑战之一。拉曼显微镜通过读取分子的独特振动特征，提供了一种有效的解决方案。然而，细胞环境极其复杂，里面充满了成千上万的生物分子。
为了使特定分子突出，研究人员通常会附加小型化学探针，例如 炔基标签，这些探针在所谓的细胞静默光谱区中产生信号，在这个区域，细胞的原生成分不会散射光。这使得拉曼显微镜能够在拥挤的分子背景中选择性地检测标记的分子。尽管如此，拉曼显微镜在生物学中的广泛应用仍然受到一个根本问题的制约：拉曼信号极其微弱。
增强信号的新策略
在最近发表在 应用化学国际版 的一项新研究中，研究人员报告了一种分子设计策略，显著增强了拉曼信号，使得可以开发出使用标准自发拉曼显微镜检测生物分子的传感器。这些新型拉曼传感器能够对活细胞内的生物分子和离子（如过氧化氢、铜离子和pH）进行灵敏的比率成像。
拉曼显微镜通过检测光如何在化学键上散射，产生高度特异的光谱特征。这些特征既狭窄又不重叠，使得拉曼成像非常适合多重分子的检测。然而，拉曼散射信号较弱——这一限制迫使研究人员使用极高的传感器浓度或需要复杂且昂贵激光设备的专用刺激拉曼系统。
利用推拉分子设计
研究人员没有去改进仪器，而是把重点放在了分子设计上。他们将物理有机化学中的经典概念——推拉效应应用于拉曼传感器设计。正如作者所指出的，“中心思想是开发可以用于活细胞成像的敏感拉曼探针。在ABATaRs中，推拉效应的战略应用是设计的核心。”
在推拉系统中，电子供体和电子受体基团分别位于分子的两侧。这种内部电子不对称性使得在键振动时分子极化率的变化增大，这是影响拉曼信号强度的关键因素。
通过在单个炔键中结合这种设计——一种常用的拉曼标签——团队创造了一种新的传感器，叫做基于活性的炔标记拉曼传感器（ABATaRs）。“在这里，ABATaRs中供体-受体基团在三重键上的战略性应用创建了一个强推拉二聚体系统，这增加了三重键的电子云密度，从而增强了与键振动相关的极化率变化。这使得信号非常强，甚至比传统方法更强，”他们解释道。
更亮的比率拉曼传感器
与广泛使用的标准炔标签相比，ABATaRs的拉曼散射活性高达10到30倍。因此，ABATaRs可以在低微摩尔浓度下通过传统自发拉曼显微镜进行检测。
除了亮度更强，ABATaRs还可以作为比率传感器使用。每个探针被设计为与特定的生物分析物发生化学反应。当这种反应发生时，分子的结构会发生变化，从而导致拉曼频率的可测量偏移。
这种频率偏移提供了一个内置参考，使研究人员能够区分真实的化学转化与探针浓度或成像条件的变化。这在复杂的细胞环境中工作时带来了重要的优势。利用这一策略，研究人员能够选择性地响应过氧化氢、铜离子和pH值的ABATaRs。
活细胞成像和多重读出
团队证明这些探针具有细胞通透性、无毒，并且在生物介质中稳定。在活的人类细胞中，ABATaRs能够检测生物相关的过氧化氢和铜离子水平，并报告细胞内pH异质性。
在一个关键的进展中，该研究报告了在活细胞中使用自发拉曼显微镜对过氧化氢和铜离子这两种相关的生物分析物进行同时的多重拉曼成像。“在我们的工作中，我们首次使用拉曼成像设备突出了两种生物相关分析物的多重成像，即铜离子和过氧化氢，这两种物质非常重要，但浓度较低，”研究人员说。
增强拉曼散射还缩短了自发拉曼成像所需的时间，并提高了与活细胞研究的兼容性。
未来探针的一般框架
作者强调，ABATaRs并不是单一的优化传感器，而是一个通用的分子设计框架。作者表示：“我们通过为三种不同的分析物制作探针来丰富中心方案，而且相同的锁和钥匙模型也可以应用于其他生物分析物探针的开发。”
这项研究为细胞生物学、疾病研究和生物医学诊断中的化学成像带来了新的可能性，利用许多实验室现有的工具。
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