探索细胞内直接SERS检测的挑战

SERS直接应用于细胞的挑战之一是对细胞中不同区域的区分，纳米粒子进入细胞时会向溶酶体聚集，最终只能检测到溶酶体的信号。在纳米粒子进入细胞的过程中，每一个阶段涉及的粒子都不一样，最终会获得非常复杂的光谱。另外，如何避免粒子对细胞的毒性也是一个重要的问题。为了能够靶向性地测得目标细胞器，可以利用特殊靶向的肽，比如RGD穿膜肽、NLS核定位肽来摆脱溶酶体的限制。对于非常复杂的光谱，可以用化学计算或者最近兴起的机器学习的方法等，选择性地让目标分子被检测到。但是对于一些给不了信号的体系，或者对于信号非常弱的即使用SERS方法依然测不到的体系，这时候就可以借鉴标记的方法。标记分子可以有很多种选择，可以选择强拉曼信号的分子，也可以选择远离分子指纹区的分子，比如含三键的分子。这样可以拥有非常低的背景，从而可以检测到信号。比如OPE基团上面带有大量的三键，设计将三键完全区分开来，这样就可以对细胞进行多组分的标记。由于这些分子可以置换掉细胞中的一些基团，所以用完之后，需要对这些高聚物或者金属壳层进行进一步的保护，如图150.10所示。

图150.10　高聚物分子层保护

这样，我们就可以进行一系列的反应，比如硫化氢的传感、一氧化碳的传感以及pH传感。

研究细胞体系中的过程时，需要在拉曼显微镜下进行细胞培养。可以在显微镜下放置微培养箱，模拟常规培养箱中的环境，出现细胞分裂现象表明细胞状态良好。这样我们就可以在这个体系下进行细胞传感实验，包括细胞外的pH传感实验。(https://www.xing528.com)

利用一个SERS的基底，基底上全部为带有修饰的金纳米粒子，每一个位置都可以检测到信号，在有细胞存在的位置和没有细胞存在的位置，pH值的差异不是很大，但是对于癌细胞来讲，有细胞的区域和没有细胞的区域有着肉眼可见的颜色区分（如图150.11所示）。

图150.11　细胞外pH成像

通过加入TGF-β诱导细胞凋亡的过程，我们可以看到，在正常生长过程中，pH值变化不明显，但是经蛋白诱导的细胞pH值有显著的变化，在诱导过程中，细胞内部的物质释放出来，导致环境的pH值变化，这就是细胞外的pH传感。我们同样可以利用纳米探针的方法把纳米探针引入细胞内部，从而实现细胞内pH成像。选择可以分裂的细胞体系，通过SERS成像得到的图像可以看到细胞分裂过程中pH值的转变。当我们对其进行pH值的统计时，发现分裂初期的pH值是比较低的，分裂中后期的pH值开始升高（该过程对应细胞生长微观的过程，需要有能量通道为其提供能量，这时微观的pH值开始升高），一旦细胞分裂结束，所有体系回到原来正常的状态。