即使是最小的分子也能讲述一个大故事。例如，观察单个分子可以揭示人体潜在的生物过程。事实上，无创且无痛的分子成像程序正被用于诊断和管理 、癌症、心脏病和其他严重健康状况的治疗。

单分子成像更有前景的技术之一是表面增强拉曼光谱或 SERS。通过将激光束聚焦在样品上，SERS 根据分子散射光的方式检测分子的变化，并可以通过其独特的拉曼光谱识别特定分子：一种分子指纹。SERS 的一个优点是它是非破坏性的并且需要最少的样品制备，因为它不需要添加化学物质或修改来进行测量。

在最近发表在Advanced Materials 上的一项研究中，Johns Hopkins Whiting 工程学院的工程师描述了一种新型纳米材料，它可以使用 SERS 进行快速和高灵敏度的单分子检测。他们的发明可以为快速、更准确的诊断测试铺平道路。

为了创造他们的新材料，称为用于拉曼光学信标或 DNA-STROBE 的 DNA 硅化模板，由机械工程副教授 Ishan Barman 领导的团队设计了只有几纳米或更小的光学腔。在 SERS 成像中，这些等离子体腔通过将电磁辐射转换为电子波来“捕获”光束。Barman 团队的微小等离子体纳米腔以指数方式增加了这种被捕获的电磁能的密度，有可能实现超低浓度下的定量生物分子成像。

“SERS 测量的有效性取决于纳米级探针的结构和可重复性。如果成功设计和实现，我们的 DNA-STROBE 结构将提供实时、单分子、无标记的光学传感，这是任何现有技术几乎不可能实现的平台，”该论文的通讯作者巴曼说。

该研究的合著者包括 Le Liang 和 Peng Zheng，他们都是约翰霍普金斯怀廷工程学院的博士后研究员。

根据 Barman 的说法，SERS 测量可以在纳米尺度上提供前所未有的洞察力，这对于传统成像方法来说仍然是一项具有挑战性的努力。SERS 信号的强度取决于纳米级间隙的大小，称为“热点”。由于这些纳米腔限制了光能，间隙越小，SERS 信号越高。然而，他解释说，以可编程和可重复的方式制造这种小尺寸的纳米腔极其困难(且昂贵)。

研究小组转向 DNA 纳米技术寻找答案。该团队使用 DNA 作为支架，构建了大小合适的合成纳米腔，以成为热点。但考虑到 DNA 的弹性，尤其是它的折叠和弯曲倾向，形成的 DNA-STROBE 结构的大小可能会发生变化，从而可能削弱 SERS 信号。因此，该团队用保护性超薄二氧化硅壳封装了 DNA-STROBE 结构，以防止这种波动。

该研究报告了两个重要发现。首先，研究人员表明他们可以制造出具有良好控制和大的 SERS 信号电磁增强的超小纳米腔。其次，他们的方法允许在高分子浓度的生物样品中进行单分子研究——这是先前研究的障碍。

“我们很高兴地观察到 DNA-STROBE 增强了拉曼信号，它足够强大，可以进行实时传感和超分辨率成像。这肯定会开辟使用 SERS 分析的新途径，特别是在传感和成像方面添加造影剂和染料是不可取或不切实际的应用，”梁说。

研究人员说，下一步将是为一系列应用开发一套定制的 DNA-STROBE 衍生分析工具。例如，该团队相信他们的方法为循环癌症生物标志物的超灵敏检测提供了最先进的平台。

“通过适当的定制，DNA-STROBE 可以在从临床诊断和基础生物医学研究到环境传感和单分子操作的广泛领域取得进展，”巴曼补充道。