用户前沿|拉曼光谱技术首次实现硒纳米粒子细胞内分布的三维可视化

研究内容

在这项研究中，研究人员通过化学还原法合成了生物相容性的SeNPs，并利用共聚焦拉曼微光谱对其在细胞内的分布进行了拉曼成像。

1.拉曼特征峰：

• SeNPs在247 cm⁻¹处有强拉曼特征信号，该峰位于指纹区外，可避开生物大分子拉曼信号干扰，便于复杂细胞环境中的特征指认。

• 蛋白质的典型特征为1650 cm⁻¹处（酰胺 I 基团振动相关），拉曼成像结果表明蛋白质分布在整个细胞中，包括细胞核。

•  脂质（2880 cm⁻¹）分布在整个细胞质中，是细胞膜的主要组成成分。

图 1.  (a) HDF 细胞与浓度为 15 μg/mL 的 SeNP 孵育 24 小时后，光学显微照片和二维拉曼成像假色图（∼2880 cm^-1（脂质，绿色）、∼1650 cm^-1（蛋白质。红色）、 ∼247 cm^-1（SeNPs，蓝色））（比例尺：20 μm）。(b) 细胞核、细胞质和内化 SeNP 的拉曼平均光谱。

2、二维拉曼成像--SeNPs的快速摄取

• 分布区域：拉曼成像显示SeNPs主要分布在细胞的外围区域，可能有少量颗粒进入细胞内部。通过与脂质（2880 cm⁻¹）和蛋白质（1650 cm⁻¹）的分布位置关联性对比，科研人员提出假设： SeNPs可能被脂质囊泡（如核内体或溶酶体）吸收内化。为了进一步证实SeNPs是穿透细胞膜而不是附着在细胞膜上，科研人员采用显微共聚焦拉曼仪进行细胞三维成像，通过扩展维度观测纳米粒子的分布规律。

• 无损操作：图 2b 左侧所示的细胞即将完成有丝分裂，这也表明该浓度的 SeNP s不会妨碍正常的细胞分裂。

图 2. 暴露于浓度为 1.5 μg/mL 的 SeNPs 溶液中0(a)、4(b)、12(c)  和24 (d)小时的 HDF 细胞拉曼成像图，图像颜色为~2880 cm^-1（脂质，绿色）、~ 1650 cm^-1（蛋白质，红色）和~247 cm^-1（SeNP，蓝色）信号分布合并。比例尺：20 μm。

共聚焦显微拉曼成像技术可以实现无标记，高灵敏度，高分子指纹特异性的成像分析，但由于拉曼成像速度限制（细胞拉曼2D成像通常耗时~1h，3D成像通常需要耗时>20h），在生物医学领域应用受限。例如时间相关的细胞分裂，药物摄取代谢，靶向药物跟踪，大分子代谢等实验，拉曼成像技术无法真正广泛应用。在这项研究中首次采用拉曼线光斑超快成像技术（一次曝光可获得400张光谱），10-20分钟可获得多个细胞单幅成像结果，1h可获得多细胞三维立体成像结果，完全可以满足捕捉SeNPs被细胞摄取和内化的速度。超快速线扫描拉曼成像技术奠定了二维分布和时间、空间维度的三维结合。未来可广泛应用于时间相关的药物递送系统的设计优化以及疾病机制的研究中，推动材料科学、生物医学与分析化学的交叉融合。

论文信息：

Redolfibristol D, Yamamoto K, Zhu W, et al. Mapping Selenium Nanoparticles Distribution Inside Cells through Confocal Raman Microspectroscopy [J]. ACS Applied Materials & Interfaces 2025 17 (12), 18124-18133.

DOI: 10.1021/acsami.5c00380

期刊简介：

ACS Applied Materials & Interfaces（简称 ACS AMI）是由美国化学会（American Chemical Society, ACS）出版的一本跨学科应用材料科学领域的重要期刊

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• AreaFlash^TM扫描，独特振镜技术使激光均匀分散，快速获取大面积整体成像光谱。

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