拉曼光谱在细胞成像中的研究进展

曾敏静; 马玮玮; 唐浴尘; 高婷娟

doi:10.12452/j.fxcsxb.23101702

您当前的位置：

首页 >

文章列表页 >

拉曼光谱在细胞成像中的研究进展

综述 | 更新时间：2024-01-17

- 拉曼光谱在细胞成像中的研究进展
- Research Progress of Raman Spectroscopy for Cell Imaging
- 分析测试学报 2024年43卷第1期页码：95-106
- 作者机构：
  
  华中师范大学化学学院绿色农药全国重点实验室农药与化学生物学教育部重点实验室，湖北武汉 430079
- 作者简介：
  
  高婷娟，博士，教授，研究方向：分子内增强拉曼散射、多色拉曼成像，E-mail：tingao@ccnu.edu.cn
- 基金信息：
  
  国家自然科学基金(22076058;22376073)
- DOI：10.12452/j.fxcsxb.23101702
  中图分类号： O657.37;G353.11
- 纸质出版日期：2024-01-15，
  
  收稿日期：2023-10-17，
  
  修回日期：2023-11-08，
- 稿件说明：
扫描看全文
曾敏静,马玮玮,唐浴尘等.拉曼光谱在细胞成像中的研究进展[J].分析测试学报,2024,43(01):95-106.

ZENG Min-jing,MA Wei-wei,TANG Yu-chen,et al.Research Progress of Raman Spectroscopy for Cell Imaging[J].Journal of Instrumental Analysis,2024,43(01):95-106.
曾敏静,马玮玮,唐浴尘等.拉曼光谱在细胞成像中的研究进展[J].分析测试学报,2024,43(01):95-106. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.23101702.

ZENG Min-jing,MA Wei-wei,TANG Yu-chen,et al.Research Progress of Raman Spectroscopy for Cell Imaging[J].Journal of Instrumental Analysis,2024,43(01):95-106. DOI： 10.12452/j.fxcsxb.23101702.

摘要

细胞成像在生命科学与药物研究中具有重要意义。拉曼光谱作为一种非破坏性的振动光谱技术，结合非标记或探针标记技术可对细胞不同组分进行成像。由于自发拉曼光谱信号较弱，运用有效的增强手段可提高细胞成像的时间与空间分辨率。该文综述了表面增强拉曼光谱（SERS）、相干拉曼光谱（CRS）、共振拉曼光谱（RRS）等拉曼增强方法在线粒体、溶酶体和内质网等细胞器成像中的研究进展，以及上述方法在蛋白质、脂质、糖类和核酸等重要细胞生物分子成像中的应用。此外，还讨论了标记技术中拉曼探针的化学结构、增强因子、检出限等因素对细胞成像的影响，并分析了当前细胞拉曼成像的发展趋势、存在的挑战和可能的解决方案。

Abstract

Cell imaging plays a crucial role in life science and drug discovery research. Raman spectroscopy，a non-destructive vibration spectroscopic technology，enables the imaging of various cellular components when combining with label-free or labeling techniques. Due to the low sensitivity of spontaneous Raman scattering，it is necessary to utilize efficient enhancement methods to increase the space and time resolutions of cellular Raman imaging. In this review，we summarized the advancement of surface-enhanced Raman spectroscopy（SERS），coherent Raman spectroscopy（CRS），resonance Raman spectroscopy（RRS），and other Raman enhancement methods applied for cellular organelle imaging of mitochondria，lysosomes，endoplasmic reticulum，and etc.，as well as for cellular biomolecule imaging of proteins，lipids，sugars，nucleic acids and etc. We discussed the factors of labeling techniques influencing cell imaging results，including the probe structures，enhancement factors，and detection limits，and analyzed the current challenges and future trends of developing Raman spectroscopic technology for cell imaging.

关键词

拉曼光谱细胞成像拉曼探针分子内共振增强拉曼散射

Keywords

Raman spectroscopycell imagingRaman probesintrinsic molecular resonance Raman scattering

references

Dodo K，Fujita K，Sodeoka M. J. Am. Chem. Soc.，2022，144（43）：19651-19667.

Zhu C，Li L，Wang Z，Irfan M，Qu F. Biosens. Bioelectron.，2020，160：112213.

Specht E A，Braselmann E，Palmer A E. Annu. Rev. Physiol.，2017，79：93-117.

Shen Y，Hu F，Min W. Annu. Rev. Biophys.，2019，48：347-369.

Liu Z，Tabakman S，Sherlock S，Li X，Chen Z，Jiang K，Fan S，Dai H. Nano Res.，2010，3：222-233.

Zhu W，Yu D，Shen A G. Spectrosc. Spectral Anal. （朱伟，余东，沈爱国. 光谱学与光谱分析），2023，43（S1）：139-140.

Jones R R，Hooper D C，Zhang L，Wolverson D，Valev K V. Nanoscale Res. Lett.，2019，14：1-34.

Lee K S，Landry Z，Pereira F C，Wagner M，Berry D，Huang W，Taylor G T，Kneipp J，Popp J，Zhang M，Cheng J X，Stocker R. Nat. Rev. Methods Prim.，2021，1（1）：80.

Wu Z T，Liu Y Z，Zhou X D，Shen A G，Hu J M. J. Anal. Sci.（伍子同，刘翼振，周晓东，沈爱国，胡继明. 分析科学学报），2014，30（6）：829-839.

Wang H L，You E M，Panneerselvam R，Ding S Y，Tian Z Q. Light Sci. Appl.，2021，10（1）：161.

Lü Q H，Wang X H，Shen A G，Hu J M. J. Instrum. Anal.（吕前辉，王小华，沈爱国，胡继明. 分析测试学报），2019，38（5）：612-617.

Long L，Ju W，Yang H Y，Li Z. ACS Mater. Au，2022，2（5）：552-575.

Sun Y，Xu L，Zhang F，Song Z，Hu Y，Ji Y，Shen J，Li B，Lu H，Yang H F. Biosens. Bioelectron.，2017，89：906-912.

Si Y，Li L，Qin X，Bai Y，Li J S，Yin Y. Anal. Chim. Acta，2019，1057：1-10.

Zhang J，Liang L，Guan X，Deng R，Qu H，Huang D，Xu S P，Liang C Y，Xu W. Anal. Bioanal. Chem.，2018，410：585-594.

Zhang Y，Gu Y，He J，Thackray B D，Ye J. Nat. Commun.，2019，10：3905.

Zhu W，Shen A G，Hu J M. J. Light Scattering（朱伟，沈爱国，胡继明. 光散射学报），2022，34（1）：40-45.

Zeng Y，Ren J Q，Shen A G，Hu J M. J. Am. Chem. Soc.，2018，140（34）：10649-10652.

Kumar N，Drozdz M M，Jiang H，Santos D M，Vaux D J. Chem. Commun.，2017，53（16）：2451-2454.

Verma P. Chem. Rev.，2017，117（9）：6447-6466.

Treffer R，Lin X，Bailo E，Deckert-Gaudig T，Deckert V. Beilstein J. Nanotechnol.，2011，2（1）：628-637.

Talaga D，Cooney G S，Ury-Thiery V，Fichou Y，Huang Y，Lecomte S，Bonhommeau S. J. Phys. Chem. B，2022，126（27）：5024-5032.

Li J F，Huang Y F，Ding Y，Yang Z L，Li S B，Zhou X S，Fan F R，Zhang W，Zhou Z Y，Wu D Y，Ren B，Wang Z L，Tian Z Q. Nature，2010，464（7287）：392-395.

Wang Y H，Wei J，Radjenovic P，Tian Z Q，Li J F. Anal. Chem.，2019，91（3）：1675-1685.

Zheng C，Liang L，Xu S，Zhang H，Hu C，Bi L，Fan Z，Han B，Xu W Q. Anal. Bioanal. Chem.，2014，406：5425-5432.

Bian X，Song Z L，Qian Y，Gao W，Cheng Z Q，Chen L，Liang H，Ding D，Nie X K，Chen Z ，Tan W H. Sci. Rep.，2014，4（1）：6093.

Krajczewski J，Kudelski A. Front. Chem.，2019，7：410.

Roy S，Gord J R，Patnaik A K. Prog. Energ. Combust.，2010，36（2）：280-306.

Alfonso-García A，Mittal R，Lee E S，Potma E O. J. Biomed. Opt.，2014，19（7）：071407.

Di Napoli C，Pope I，Masia F，Langbein W，Watson P，Borri P. Anal. Chem.，2016，88（7）：3677-3685.

Zong C，Cheng R，Chen F，Lin P，Zhang M，Chen Z，Li C，Yang C，Cheng J X. ACS Photon.，2022，9（3）：1042-1049.

Tian S，Li H，Li Z，Tang H，Yin M，Chen Y，Wang S，Gao Y，Yang X，Meng F，Lauher J W，Wang P，Luo L. Nat. Commun.，2020，11（1）：81.

Freudiger C W，Min W，Saar B G，Lu S J，Holtom G R，He C，Tsai J C，Kang J X，Xie X L. Science，2008，322（5909）：1857-1861.

Saar B G，Freudiger C W，Reichman J，Stanley C M，Holtom G R，Xie X S. Science，2010，330（6009）：1368-1370.

Cunha R，Lafeta L，Fonseca E A，Barbosa A，Romano-Silva M A，Vieira R，Jorio A，Malard L M. Analyst，2021，146（9）：2945-2954.

Shi L，Zheng C，Shen Y，Chen Z，Silveira E S，Zhang L，Wei M，Liu C，Sena-Tomas C D，Targoff K，Min W. Nat. Commun.，2018，9（1）：2995.

Miao Y，Shi L，Hu F，Min W. Phys. Biol.，2019，16（4）：041003.

Wei L，Chen Z，Shi L，Long R，Anzalone A V，Zhang L，Hu F，Yuste R，Cornish V W，Min W. Nature，2017，544（7651）：465-470.

Wei L，Min W. J. Phys. Chem. Lett.，2018，9（15）：4294-4301.

Hu F，Shi L，Min W. Nat. Methods，2019，16（9）：830-842.

Li M，Ashok P C，Dholakia K，Huang W E. J. Phys. Chem. A，2012，116（25）：6560-6563.

Kaya M，Volkan M. Anal. Chem.，2012，84（18）：7729-7735.

Harmsen S，Rogalla S，Huang R，Spaliviero M，Neuschmelting V，Hayakawa Y，Lee Y，Tailor Y，Toledo-Crow R，Kang J W，Samii J M，Karabeber H，Davis R M，White J R，Rijn M V D，Gambhir S S，Contag C H，Wang T C，Kircher M F. ACS Nano，2019，13（2）：1354-1364.

Yim D，Kang H，Jeon S J，Kim H I，Yang J K，Kang T W，Lee S，Choo J，Lee Y S，Kim J W，Kim J H. Analyst，2015，140（10）：3362-3367.

Jermyn M，Mok K，Mercier J，Desroches J，Pichette J，Saint-Arnaud K，Bernstein L，Guiot M C，Petrecca K，Leblond F. Sci. Transl. Med.，2015，7（274）：274.

Ermakov I V，ArchGellermann W. Biochem. Biophys.，2015，572：101-111.

Muhtar I，Shen A G，Hu J M. J. Light Scattering（依丽努尔·木合塔尔，沈爱国，胡继明. 光散射学报），2015，27（2）：110-118.

Zhou Y，Liu C H，Sun Y，Pu Y，Boydston-White S，Liu Y，Alfano R R. J. Biomed. Opt.，2012，17：116021.

Kumamoto Y，Taguchi A，Kawata S， Smith N I. J. Biomed. Opt.，2012，17（7）：076001.

Li Y，Heo J，Lim C K，Pliss A，Kachynski A V，Kuzmin A N，Kim S，Prasad P N. Biomaterials，2015，53：25-31.

Li Y，Wang Z，Mu X J，Ma A，Guo S. Biotechnol. Adv.，2017，35（2）：168-177.

Tang Y C，Zhuang Y，Zhang S，Smith Z J，Li Y，Mu X，Li M，He C，Zheng X，Pan F，Gao T J，Zhang L. ACS Cent. Sci.，2021，7（5）：768-780.

Tang Y C，Zheng X，Gao T J. Research，2023，6：0136.

Zumbusch A，Langbein W，Borri P. Prog Lipid Res.，2013，52（4）：615-632.

Fueser H，Pilger C，Kong C，Huser T，Traunspurger W. Environ. Pollut.，2022，294：118662.

Pacia M Z，Majzner K，Czamara K，Sternak M，Chlopicki S，Baranska M. BBA-Mol Cell Biol. Lipids，2020，1865（9）：158758.

Brazhe N A，Evlyukhin A B，Goodilin E A，Semenova A A，Novikov S M，Bozhevolnyi S I，Chichkov B N，Sarycheva A S，Baizhumanov A A，Nikelshparg E I，Deev L I，Maksimov E G，Maksimov G V，Sosnovtseva O. Sci. Rep.，2015，5（1）：13793.

Okada M，Smith N I，Palonpon A F，Endo H，Kawata S，MikikoSodeoka，Fujita K. Proc. Natl. Acad. Sci. USA，2012，109 （1）：28-32.

Morimoto T，Chiu L，Kanda H，Kawagoe H，Ozawa T，Nakamura M，Nishida K，Fujita K，Fujikado T. Analyst，2019，144（8）：2531-2540.

Adamczyk A，Matuszyk E，Radwan B，Rocchetti S，Stefan C S，Baranska M. J. Med. Chem.，2021，64，8：4396-4409.

Yamakoshi H， Palonpon A，Dodo K，Ando J，Kawat S，Fujita K，Sodeoka M. Bioorg. Med. Chem. Lett.，2015，25（3）：664-667.

Wilson L T，Tipping W J，Wetherill C，Henley Z，Faulds K，Graham D，Mackay S P，Tomkinson N C O. Anal. Chem.，2021，93（37）：12786-12792.

Bae K，Zheng W，Ma Y，Huang Z W. Anal. Chem.，2019，92（1）：740-748.

Ao J，Fang X，Miao X，Ling J，Kang H，Park S，Wu C，Ji M B. Nat. Commun.，2021，12：3089.

Schaaf M B，Houbaert D，Meçe O，Agostinis P. Cell Death Differ.，2019，26（4）：665-679.

Kuzmin A N，Pliss A，Lim C K，Heo J，Kim S，Rzhevskii A，Gu B，Yong K，Wen S，Prasad P N. Sci. Rep.，2016，6（1）：28483.

Yu Y，Tang Y C，Chu K，Gao T J，Smith Z J. J. Am. Chem. Soc.，2022，144（33）：15314-15323.

Adamczyk A，Matuszyk E，Radwan B，Rocchetti S，Chlopicki S，Baranska M. J. Med. Chem.，2021，64（8）：4396-4409.

Czamara K，Majzner K，Pacia M Z，Kochan K，Kaczor A，Baranska M. J. Raman Spectrosc.，2015，46（1）：4-20.

Bik E，Mielniczek N，Jarosz M，Denbigh J，Budzynska R，Baranska M，Majzner K. Analyst，2019，144（22）：6561-6569.

Shen Y，Zhao Z，Zhang L，Min W. Natl. Acad. Sci.，2017，114（51）：13394-13399.

Fujioka H，Shou J，Kojima R，Urano Y，Ozeki Y，Kamiya M. J. Am. Chem. Soc.，2020，142（49）：20701-20707.

Lin J，Akakuru O U，Wu A. View，2021，2（4）：20200146.

Wang J，Liang D，Feng J，Tang X J. Anal. Chem.，2019，91（17）：11045-11054.

Lin J，Ren W，Li A，Yao C，Chen T，Ma X，Wang X T，Wu A. ACS Appl. Mater. Interfaces，2019，12（4）：4204-4211.

Zou Y，Huang S，Liao Y，Zhu X，Chen Y，Chen L，Liu F，Hu X，Tu H，Zhang L，Liu Z，Chen Z，Tan W H. Chem. Sci.，2018，9（10）：2842-2849.

Li J，Cheng J X. Sci. Rep.，2014，4（1）：6807.

Hu F，Chen Z，Zhang L，Shen Y，Wei L，Min W. Angew. Chem. Int. Ed.，2015，54（34）：9821-9825.

Long R，Zhang L，Shi L，Shen Y，Hu F，Zeng C，Min W. Chem. Commun.，2018，54（2）：152-155.

Lin S，Cheng Z，Li Q，Wang R，Yu F. ACS Sens.，2021，6（11）：3912-3932.

Meister K，Niesel J，Schatzschneider U，Metzler-Nolte N，Schmidt D A，Havenith M. Angew. Chem. Int. Ed.，2010，49（19）：3310-3312.

Yamakoshi H，Dodo K，Okada M，Ando J，Palonpon A，Fujita K，Kawata S，Sodeoka M. J. Am. Chem. Soc.，2011，133（16）：6102-6105.

Hong S，Chen T，Zhu Y，Li A，Huang Y Y，Chen X. Angew. Chem. Int. Ed.，2014，53（23）：5827-5831.

Li S，Chen T，Wang Y，Liu L，Lv F，Li Z，Huang Y Y，Schanze K S，Wang S. Angew. Chem. Int. Ed.，2017，56（43）：13455-13458.

Huefner A，Kuan W L，Barker R A，Mahajan S. Nano. Lett.，2013，13（6）：2463-2470.

Si Y，Xu L，Wang N，Zheng J，Yang R，Li J S. Anal. Chem.，2020，92（3）：2649-2655.

Fletcher J S. Analyst，2009，134（11）：2204-2215.

Velmurugan K，Prabhu J，Raman A，Duraipandy N，Kiran M S，Easwaramoorthi S，Tang L，Nandhakumar R. ACS Sustainable Chem. Eng.，2018，6（12）：16532-16543.

Capocefalo A，Mammucari D，Brasili F，Fasolato C，Bordi F，Postorino P，Domenici F. Front. Chem.，2019，7：413.

Xu M，Ma X，Wei T，Lu Z X，Ren B. Anal. Chem.，2018，90（23）：13922-13928.

Fang L，Pan X T，Liu K，Jiang D，Ye D，Ji L N，Wang K，Xia X H. ACS Appl. Mater. Interfaces，2023，15（17）：20677-20685.

Tang Y C，Chen X，Zhang S，Smith Z J，Gao T J. Anal. Chem.，2021，93（47）：15659-15666.

浏览量

下载量

CSCD

文章被引用时，请邮件提醒。

提交

工具集

关联资源

长余辉纳米粒子的合成及其生物成像应用

吲哚结构的荧光探针在粘度检测及细胞成像中的应用

啤酒基荧光碳点的绿色合成及其在Fe³⁺检测和细胞成像中的应用