無創(chuàng)檢測體內(nèi)腫瘤病灶對于臨床醫(yī)學(xué)腫瘤診療至關(guān)重要。醫(yī)學(xué)成像技術(shù)如計算機(jī)斷層掃描、核磁共振或正電子發(fā)射計算機(jī)斷層掃描等雖然能診斷體內(nèi)深層病灶，但存在采集時間長、儀器昂貴或輻射劑量大等原因，更常用于術(shù)前檢查。與之相比，光學(xué)檢測和成像方法具有實(shí)時、高靈敏、非電離輻射、采集方便等優(yōu)勢，結(jié)合外源性造影劑可以提供生物體結(jié)構(gòu)、功能和分子的精確信息，是腫瘤診斷的絕佳工具。但是，現(xiàn)有的腫瘤光學(xué)檢測技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展也面臨著瓶頸：組織穿透深度較低，無法檢測深層病灶。由于生物組織對光子強(qiáng)烈的散射和吸收作用（如圖1），光在生物組織中的穿透深度受限一直是這個領(lǐng)域中的巨大挑戰(zhàn)。例如，近紅外區(qū)域肌肉組織的傳輸平均自由程只有1~2 mm，目前廣泛使用的熒光成像技術(shù)的組織穿透深度通常只有幾毫米。臨床結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于吲哚菁綠的分子影像無法檢測到距離胸膜深度超過1.3 cm的肺結(jié)節(jié)，容易造成假陰性。

圖1. 生物組織對光子的散射與吸收

表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）對金屬納米顆粒附近的分子的拉曼信號實(shí)現(xiàn)極大地增強(qiáng)，具有高特異性和高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)，非常適合用于生物光譜檢測。為了獲取更高的檢測深度，已經(jīng)報道了光源和探測器間具有一定空間偏移的空間偏移拉曼光譜裝置。它利用了生物組織的高散射特性，即來自深層的光子到達(dá)表面時會有更大的橫向偏移。空間偏移拉曼光譜抑制了表層的背景信號，因此提高了來自深層信號的信噪比。它的一種特殊形式是透射拉曼光譜，它將激光和拉曼探測器放置在樣品的兩側(cè)。據(jù)報道，透射拉曼光譜技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)具有高組織穿透能力的無創(chuàng)檢測。

盡管如此，透射拉曼光譜技術(shù)的最新水平仍未能滿足實(shí)際生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用的需求。首先，目前文獻(xiàn)報道的透射拉曼光譜技術(shù)的檢測深度或組織厚度仍遠(yuǎn)低于與人體相關(guān)的厚度值。例如，人類的腹背距離超過10 cm。然而，使用透射拉曼光譜技術(shù)穿透超過10 cm厚的體外組織或活體動物的可行性迄今尚未得到證實(shí)。其次，光子在透射拉曼檢測中的傳播過程以及測量因素如何決定信號尚不清楚。透射拉曼信號不僅受組織散射系數(shù)和吸收系數(shù)的影響，還可能與SERS納米探針的亮度、病灶埋深、組織總厚度等因素有關(guān)。評估這些決定性因素之間的關(guān)系至關(guān)重要。第三，激光的安全性是光學(xué)模態(tài)臨床轉(zhuǎn)化中一個長期關(guān)注的問題。臨床激光的光安全性通常由最大允許照射量來評估，即對暴露的身體表面造成損傷的風(fēng)險可忽略不計的最高激光輻射水平。然而，目前大多數(shù)體內(nèi)SERS研究使用的激光劑量遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于光安全劑量限值，這在很大程度上阻礙了SERS技術(shù)的臨床轉(zhuǎn)化。

圖2. 透過活體小鼠使用透射裝置和超亮SERS造影劑對深部腫瘤進(jìn)行活體無創(chuàng)成像示意圖以及透射拉曼光譜信號的理論計算

為了解決本領(lǐng)域的上述重要問題，上海交通大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)院葉堅團(tuán)隊首先從透射拉曼光譜測量過程中拉曼光子傳播的理論建模和計算入手，研究了實(shí)驗參數(shù)（組織厚度、SERS納米探針位置、納米探針亮度、激光功率和光束尺寸）對透射拉曼光譜探測深度的影響（如圖2）。理論計算表明，透射拉曼信號與信號源的埋深之間呈不對稱的U型關(guān)系，說明病變位于組織中部時信號最弱，對透射拉曼信號的檢測是最具挑戰(zhàn)性的。而提高SERS納米探針的亮度是增加檢測深度/透射組織厚度最直接有效的途徑。此外，光束尺寸的增大對深部病灶的透射拉曼檢測強(qiáng)度幾乎沒有影響。因此，可以采用較大的激光束尺寸來降低功率密度。

圖3. 擴(kuò)散光束照明的體外透射拉曼光譜檢測

基于這些發(fā)現(xiàn)，該團(tuán)隊設(shè)計制備了超亮SERS納米探針與自制的透射拉曼裝置相結(jié)合，開發(fā)了一個拉曼檢測/成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：深度檢測能力，使用了低至單顆粒檢測水平的超亮SERS納米探針；臨床光安全，樣品表面的激光功率密度低于安全光照劑量閾值。

利用該系統(tǒng)，團(tuán)隊成功地在安全光照劑量內(nèi)通過體外14 cm厚的組織實(shí)現(xiàn)了對包埋在其中的SERS納米探針的檢測（圖3），與目前已報道的透射拉曼光譜檢測研究相比，穿透深度提高了約97%。進(jìn)一步地，團(tuán)隊在安全光照劑量內(nèi)實(shí)現(xiàn)了1.5 cm厚未剃毛活鼠體內(nèi)深層SERS納米探針的體內(nèi)無創(chuàng)成像（圖4），相比之下，傳統(tǒng)的背散射拉曼成像無法獲得顯著信號。這項工作為透射拉曼光譜技術(shù)在體內(nèi)非侵入性生物醫(yī)學(xué)檢查方面的發(fā)展提供了新的見解，證明透射拉曼光譜有望成為未來臨床癌癥診斷的可行工具。