香港科技大学(科大)领导的研究团队开发了一种光学等离激元镊子控制的表面增强拉曼光谱(SERS)平台，利用光的开关控制来探测混合物中的各种胰淀素种类在单分子水平上，揭示了pH依赖性淀粉样蛋白种类的异质结构，以及与2型糖尿病相关的淀粉样蛋白聚集机制背后的秘密。

通过消除整体平均，单分子技术可以识别单个分子的信号，揭示隐藏的细节，并彻底改变我们对复杂和异质分子系统的理解。目前的单分子方法仅限于超稀释和/或分子固定，因为衍射限制的检测体积无法进一步减小。

然而，某些生物分子参与各种相互作用，这些相互作用受浓度的显着影响。例如，人胰岛淀粉样多肽(amylin，hIAPP)作为一种典型的本质无序蛋白，缺乏稳定的二级结构，但具有受浓度和pH等环境因素控制的聚集倾向，在II型糖尿病中形成不同的寡聚中间体和淀粉样原纤维患者。

由于检测动态混合物中稀有、短暂和异质的胰淀素种类存在挑战，分子机制仍不清楚，需要开发先进的单分子方法。

科大化学系助理教授黄金庆教授领导的研究团队最近取得突破性进展，成功开发出一种结合光学等离激元操控和SERS测量的新型单分子平台，可减少检测体积并提高信号增强能力，从而实现高效、准确的检测。高通量单分子表征，用于研究生理浓度下pH依赖性胰淀素种类。

具体来说，该团队在两个涂有银纳米颗粒的二氧化硅微珠之间构建了一个等离子体连接，以捕获额外的银纳米颗粒，从而在激光照射下形成动态纳米腔，该纳米腔可以封装单个或几个分子，以进行敏感的SERS表征。

由于光学等离子体捕获和SERS现象在空间上都限制在纳米尺度，因此它超越了光学衍射极限，可以实现精确的位置控制、最小化检测体积并同时增强SERS增强。

此外，所构建的银纳米颗粒涂覆的二氧化硅微珠二聚体比溶液中传统的银纳米颗粒组装体更稳定，使得在常规显微镜上更容易观察和定位等离激元连接，从而提高效率和再现性。通过在“开”和“关”状态之间切换激光，研究人员可以控制光学等离子体捕获来调节动态纳米腔的组装和拆卸，从而实现高通量采样和同步SERS测量。

利用这种高效的单分子平台，研究小组利用了统计上显着的SERS光谱，揭示了两种不同生理条件下各种胰岛淀粉样多肽的结构特征：胰腺β细胞的分泌颗粒(pH5.5)和细胞外区室(pH5.5)分别为7.4。

根据分子动力学(MD)模拟的支持，在中性pH下淀粉样蛋白聚集的早期阶段，从其主要单体中鉴定出两种类型的低密度胰淀素物种，其中包含关键转角结构或具有受限C末端的短β-发夹。

即使在将pH从7.4调整到5.5后，不同胰岛淀粉样蛋白种类之间的平衡的这种轻微变化也可能会导致不可逆的淀粉样蛋白形成。因此，异质混合物中这些胰淀素种类的直接结构表征表明pH值对其分子内和分子间相互作用的影响，并揭示pH调节淀粉样蛋白聚集背后的机制，以了解2型糖尿病。

“我们提出了一种易于使用的策略，可以减少检测量、增强分子信号并提高周转效率，”黄教授解释道。“我们的单分子平台可以获得大量的SERS光谱作为分子快照，与通过MD模拟获得的光谱相当。通过统计分析单分子水平的结构细节，我们能够重建整体特性并获得独特的洞察异质混合物中特定分子类型的总体和概率。它有可能揭开复杂系统中隐藏的谜团。”

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