Plasmon-enhanced stimulated Raman scattering microscopy with single-molecule detection sensitivity

生物分子 显微镜 拉曼散射 拉曼光谱 材料科学 等离子体子 显微镜 分析化学(期刊) 光电子学 纳米技术 光学 化学 物理 色谱法
作者
Cheng Zong,Ranjith Premasiri,Haonan Lin,Yimin Huang,Chi Zhang,Chen Yang,Bin Ren,L. D. Ziegler,Ji‐Xin Cheng
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:10 (1) 被引量:76
标识
DOI:10.1038/s41467-019-13230-1
摘要

Stimulated Raman scattering (SRS) microscopy allows for high-speed label-free chemical imaging of biomedical systems. The imaging sensitivity of SRS microscopy is limited to ~10 mM for endogenous biomolecules. Electronic pre-resonant SRS allows detection of sub-micromolar chromophores. However, label-free SRS detection of single biomolecules having extremely small Raman cross-sections (~10-30 cm2 sr-1) remains unreachable. Here, we demonstrate plasmon-enhanced stimulated Raman scattering (PESRS) microscopy with single-molecule detection sensitivity. Incorporating pico-Joule laser excitation, background subtraction, and a denoising algorithm, we obtained robust single-pixel SRS spectra exhibiting the statistics of single-molecule events. Single-molecule detection was verified by using two isotopologues of adenine. We further demonstrated the capability of applying PESRS for biological applications and utilized PESRS to map adenine released from bacteria due to starvation stress. PESRS microscopy holds the promise for ultrasensitive detection of molecular events in chemical and biomedical systems.

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