拉曼散射是入射光子与分子相互作用产生的非弹性光散射，涉及各种分子振动模式的能量变化过程，通常被视为分子的特征指纹信息。因此，拉曼光谱被广泛应用于化学鉴定、生物医学研究和纳米材料表征等多个领域。然而，传统拉曼检测所得到的信号通常很弱，表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy, SERS）技术的出现，克服了传统拉曼散射信号本身较弱的局限性，在检测低浓度化学分析物以及生物医学应用方面取得了重大进展。当前，基于SERS技术的研究多集中于近红外一区，对于将SERS技术推向真正的临床应用仍然面临着组织穿透深度有限，光稳定性、激光安全性以及生物安全性等亟待解决的问题。开发新型的表面增强拉曼探针以满足于生物医学应用的需求，具有重要的意义。
1/ 低组织散射和荧光背景
基于SERS技术的在体和术中检测应用在近红外（NIR）窗口取得了显著进展。然而，由于生物组织较强的光散射和吸收，导致激光的组织穿透深度有限（如图2a,b）。随着生物样本厚度的增加，入射光迅速衰减，信号不可避免地减弱并产生背景噪声。这种现象在紫外和可见光谱区域（200至800 nm）尤为严重，使得深层组织成像和痕量分子检测变得困难。然而，随着激发和发射波长向高波数范围扩展，生物组织对于光的散射和吸收会显著减少（如图2b）。因此，NIR激光（通常定义为700-2500 nm）因其较低的光子散射和吸收，成为了生物医学成像和检测领域一个有吸引力的选择。
体内SERS检测过程中的另一个问题是由内源性荧光团产生的自发荧光背景。如图2c,d所示，内源性物质的自发荧光会产生一个宽带荧光背景，从而淹没组织的特征拉曼信号。当使用可见光或近红外一区（NIR-I）激光对组织进行检测时，会产生明显的荧光背景（如图2c，d）。由于大多数荧光团在NIR-II窗口的自发荧光较低，因此，使用1064 nm激光激发时，可以显著降低生物组织荧光背景的干扰（如图2e）。
NIR-II窗口中组织对于光子更低的吸收和散射，使得光子能够穿透更深的组织。目前，NIR-II荧光成像技术已经被开发用于穿颅成像和高分辨率的微血管成像。在生物体内，荧光成像研究表明，NIR-I成像的组织穿透深度为1-6毫米。相比之下，NIR-II荧光生物成像可以实现高达20毫米的穿透深度，同时提高空间-时间分辨率，得到高分辨率的图像。因此，将NIR-II荧光成像中增强的组织穿透深度应用于拉曼检测领域是一个有前景的方向。相关研究也定量地证明了，在相同测试条件下，NIR-II拉曼检测相较于NIR-I而言，对于不同生物组织均具有更高的信噪比和组织穿透能力（如图3）。这意味着，利用NIR-II拉曼成像技术，我们有可能实现更深层的生物组织成像和检测，为生物医学研究和临床诊断提供新的可能性。
图3 在NIR窗口内，体外猪组织中的SERS信号随着深度的增加而衰减
4/ 研究进展
为了在MPE范围内实现更好的SERS性能以满足生物医学应用需求，需要开发超亮的NIR-II SERS纳米探针。这些探针能够在较低的光照强度下产生强的拉曼散射信号，从而缩短积分时间，提高成像速度。设计合适的纳米增强基底使其等离激元共振峰与NIR-II区域内的特定波长相匹配是实现高效SERS成像的关键。通过优化纳米探针的结构和性质，可以实现共振条件下SERS探针性能的最大化（如图4a）。当前，基于NIR-II SERS共振探针已经实现细胞成像（如图4b）和活体小鼠皮下肿瘤的检测（如图4c）。
图4 NIR-II共振增强基底的构建及NIR-II SERS探针的生物医学应用。
挑战与展望
尽管NIR-II SERS探针取得了不错进展，但仍然存在部分瓶颈问题。首先，当前NIR-II SERS标签的结构多样性仍然有限。其次，现有NIR-II SERS纳米探针的光物理性质仍不理想。最后，开发集成诊疗一体化的多模态NIR-II SERS纳米探针仍处于早期阶段。为此，本综述提出以下展望：
1/ SERS增强基底的开发：根据不同应用场景调控金属SERS增强基底的光学性能，并进一步开发NIR-II非金属SERS增强基底。
2/ 非荧光-共振拉曼报告分子的设计：开发非荧光激光共振的NIR-II拉曼报告分子，实现SERS探针亮度最大化的同时，避免传统荧光分子的背景干扰。
图5 荧光-共振与非荧光-共振拉曼报告分子的对比
3/ 人工智能辅助纳米探针设计：开发新的SERS探针合成方案通常是一项艰巨的工作，往往涉及设计、反复试验、化学试剂筛选、实验条件（温度，反应转速）和广泛的表征。人工智能（AI）驱动的创新计算方法的出现，有望提高新型SERS探针的开发效率。与传统的自上而下或自下而上的合成方法不同，AI辅助系统依赖输入特征信息、反应条件来预测光学性质与最终产品之间的关系，与已建立的数据处理方法（如偏最小二乘分析（PLS）和主成分分析（PCA））相结合，以进一步提高鲁棒性和准确性。在整个SERS探针开发流程中，包括SERS基底的设计、拉曼报告分子、仪器、合成路线、数据处理方式的选择以及SERS相关应用，都见证了AI驱动的进步。
4/ 仪器设备的提升：开发高灵敏度的NIR-II电荷耦合器（Charge-coupled device，CCD）以及提高成像速度，是NIR-II SERS探针生物医学应用的关键。
5/ 生物安全性与临床转化：除了在临床前研究和体外检测中的应用外，NIR-II SERS的临床转化还面临探针的功能化修饰以及生物安全性的挑战。因此，无论是优化现有探针还是构思新的NIR-II SERS探针，都必须确保探针的生物安全性。此外，NIR-II SERS探针在大动物以及非人灵长类上的探索性应用，是推动其走向临床应用的关键。
图6 NIR-II SERS探针在大动物及非人灵长类动物模型术中前哨淋巴结定位中的应用典例
来源：光谱技术及应用，微信号：SPECTRO-CSOE。内容仅做学术分享之用，版权归原作者所有，若涉及侵权等行为，请联系我们删除，万分感谢！
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