【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光機(jī)所在Light: Science&Applications上發(fā)表了題為“Emerging frontiers in SERS-integrated optical waveguides: advancing portable and ultra-sensitive detection for trace liquid analysis”的綜述文章。本文第一作者為高丹恒副研究員，通訊作者由洛猛、孟浩然共同擔(dān)任。該研究系統(tǒng)梳理了SERS與光波導(dǎo)集成技術(shù)的發(fā)展脈絡(luò)，深入探討了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、傳感界面優(yōu)化、新興技術(shù)融合等關(guān)鍵方向，重點(diǎn)分析了遠(yuǎn)程傳感探針與微流控傳感平臺(tái)兩大技術(shù)路徑，為下一代超靈敏檢測(cè)技術(shù)的研發(fā)提供了全面參考。研究不僅總結(jié)了該領(lǐng)域的技術(shù)突破與應(yīng)用成果，還指出了規(guī)模化制備、特異性?xún)?yōu)化等未來(lái)挑戰(zhàn)，為超靈敏痕量液體檢測(cè)技術(shù)的發(fā)展提供了重要學(xué)術(shù)參考，有望推動(dòng)生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的檢測(cè)技術(shù)革新。
光流控波導(dǎo)內(nèi)集成SERS傳感概念圖
SERS-光波導(dǎo)融合：突破傳統(tǒng)檢測(cè)瓶頸
傳統(tǒng)SERS技術(shù)依賴(lài)貴金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振(LSPR)效應(yīng)增強(qiáng)拉曼信號(hào)，但其檢測(cè)性能受限于激發(fā)與收集效率不匹配、樣品處理復(fù)雜等問(wèn)題。光波導(dǎo)憑借機(jī)械柔性、抗電磁干擾、光場(chǎng)約束能力強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)，與SERS技術(shù)形成完美互補(bǔ)，通過(guò)波導(dǎo)介導(dǎo)的光-物質(zhì)相互作用，實(shí)現(xiàn)了analyte高效激發(fā)與散射信號(hào)強(qiáng)化收集的雙重提升。
光波導(dǎo)與SERS的集成主要通過(guò)兩種核心路徑實(shí)現(xiàn)：
遠(yuǎn)程傳感探針：在光纖端面功能化修飾SERS基底，包括銀/金納米顆粒、納米腔陣列等結(jié)構(gòu)，利用光纖的遠(yuǎn)程傳輸能力實(shí)現(xiàn)原位、無(wú)損檢測(cè)，適用于生物體內(nèi)外樣品分析等場(chǎng)景。
微流控傳感平臺(tái)：利用光子晶體光纖(PCF)、中空反諧振光纖(HcARF)等微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的內(nèi)部多孔特性，構(gòu)建集成微流道的SERS檢測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)納升甚至飛升量級(jí)樣品的連續(xù)流分析。
如下圖所示，這種融合技術(shù)顯著突破了傳統(tǒng)檢測(cè)的局限：通過(guò)倏逝場(chǎng)耦合增強(qiáng)光與樣品的相互作用，檢測(cè)靈敏度較傳統(tǒng)SERS提升1-3個(gè)數(shù)量級(jí)；簡(jiǎn)化了光路校準(zhǔn)流程，設(shè)備體積大幅縮小，為便攜式檢測(cè)奠定基礎(chǔ)；樣品消耗量降至微升以下，尤其適用于珍稀生物樣品分析。例如，基于懸浮芯光纖(SCF)的SERS傳感器對(duì)羅丹明6G(R6G)的檢測(cè)限可達(dá)10?¹? mol/L，增強(qiáng)因子高達(dá)1.3×10?。
基于微結(jié)構(gòu)懸浮芯光纖(M-SCF)的腺嘌呤表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)檢測(cè)裝置a.光纖內(nèi)微流控SERS檢測(cè)裝置示意圖；b. DNA與GO/PDDA/Ag SERS基底的反應(yīng)示意圖；c.微流控光纖內(nèi)DNA中腺嘌呤的拉曼位移光譜
技術(shù)創(chuàng)新路徑：從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)到性能優(yōu)化
SERS-光波導(dǎo)集成技術(shù)的發(fā)展始終圍繞結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與性能提升展開(kāi)，形成了多維度、多層次的技術(shù)體系。
早期光纖端面修飾SERS基底的方案雖實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程檢測(cè)，但存在傳感面積小、信號(hào)穩(wěn)定性不足等問(wèn)題。研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化持續(xù)突破：
傾斜端面與納米結(jié)構(gòu)復(fù)合：將光纖端面加工為40°傾斜角并修飾Ag/Al?O?納米結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)95米遠(yuǎn)程檢測(cè)，顯著提升plasmonic耦合效率。
特殊形貌光纖設(shè)計(jì)：錐形光纖探針通過(guò)縮小端面尺寸實(shí)現(xiàn)局域化檢測(cè)，空間分辨率達(dá)亞微米級(jí)；D型光纖通過(guò)側(cè)面拋光暴露纖芯，使SERS活性面積擴(kuò)大1.6×10³倍，信號(hào)增強(qiáng)三個(gè)數(shù)量級(jí)。
復(fù)合基底構(gòu)建：金納米腔陣列與銀納米顆粒復(fù)合結(jié)構(gòu)通過(guò)多重反射陷光與LSPR協(xié)同作用，對(duì)乙酰氨基酚的檢測(cè)限低至0.1 pg，滿(mǎn)足藥物分析需求。
微結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的出現(xiàn)推動(dòng)SERS檢測(cè)向微流控集成方向發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了痕量樣品的自動(dòng)化分析：
光子晶體光纖(PCF)：通過(guò)中空纖芯內(nèi)壁修飾SERS基底，利用帶隙效應(yīng)約束光場(chǎng)，延長(zhǎng)光-物質(zhì)相互作用長(zhǎng)度，對(duì)R6G的檢測(cè)限可達(dá)10?¹? mol/L。
中空反諧振光纖(HcARF)：將光場(chǎng)限制在空氣通道中，減少光纖材料背景干擾，結(jié)合Ag/ZnO納米復(fù)合材料修飾，實(shí)現(xiàn)外泌體單分子檢測(cè)，增強(qiáng)因子超10?。
懸浮芯光纖(SCF)：纖芯懸浮于空氣孔中形成強(qiáng)倏逝場(chǎng)，通過(guò)微流道設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)樣品與SERS基底的充分接觸，成功應(yīng)用于腦脊液葡萄糖、DNA腺嘌呤等生物分子的超靈敏檢測(cè)，檢測(cè)時(shí)間僅需25-30秒。
新興技術(shù)賦能：邁向?qū)嵱没瘷z測(cè)新高度
為進(jìn)一步提升檢測(cè)性能、推動(dòng)技術(shù)落地，研究團(tuán)隊(duì)將飛秒激光加工、腔增強(qiáng)技術(shù)、人工智能等新興手段與SERS-光波導(dǎo)集成技術(shù)深度融合，解決了傳統(tǒng)方法面臨的結(jié)構(gòu)制備、信號(hào)解析等難題。
飛秒激光直寫(xiě)：實(shí)現(xiàn)SERS基底的高精度、大面積制備，通過(guò)激光誘導(dǎo)周期性表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)結(jié)合銀納米顆粒沉積，構(gòu)建超疏水/親水復(fù)合平臺(tái)，對(duì)結(jié)晶紫的檢測(cè)限低至1.22×10?¹? mol/L。
多材料復(fù)合修飾：將石墨烯、MXenes等二維材料與貴金屬納米顆粒復(fù)合，既抑制納米顆粒團(tuán)聚，又通過(guò)電荷轉(zhuǎn)移效應(yīng)增強(qiáng)拉曼信號(hào)，提升檢測(cè)穩(wěn)定性。
腔增強(qiáng)技術(shù)：通過(guò)光子晶體微腔、法布里-珀羅(FP)腔等結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光場(chǎng)多重反射，進(jìn)一步強(qiáng)化LSPR效應(yīng)，使信號(hào)增強(qiáng)因子再提升一個(gè)數(shù)量級(jí)。
如下圖所示，人工智能輔助分析：利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(CNN)、主成分分析(PCA)等算法處理復(fù)雜拉曼光譜，有效排除背景干擾，實(shí)現(xiàn)多組分混合樣品的精準(zhǔn)識(shí)別。例如，基于機(jī)器學(xué)習(xí)的SERS系統(tǒng)成功實(shí)現(xiàn)SARS-CoV-2病毒的快速檢測(cè)，準(zhǔn)確率超98%。
基于致癌 RNA(oncRNA)的液體活檢平臺(tái)及Orion架構(gòu)。a.基于癌癥基因組圖譜(TCGA)組織數(shù)據(jù)集與非癌癥對(duì)照樣本的非小細(xì)胞肺癌(NSCLC)致癌RNA(oncRNA)驗(yàn)證圖；b. Orion模型架構(gòu)所需的兩個(gè)輸入計(jì)數(shù)矩陣示意圖；c.三元組邊際損失在模擬數(shù)據(jù)上的應(yīng)用示意圖；d.損失收斂曲線(xiàn)圖。
應(yīng)用場(chǎng)景與未來(lái)展望
SERS-光波導(dǎo)集成技術(shù)已在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應(yīng)用潛力：在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)腫瘤標(biāo)志物、神經(jīng)遞質(zhì)、核酸堿基的超靈敏檢測(cè)，為早期疾病診斷提供支持；在環(huán)境監(jiān)測(cè)中，能夠快速檢測(cè)水體中的重金屬離子、農(nóng)藥殘留等污染物，檢測(cè)限達(dá)納摩爾級(jí)；在食品安全領(lǐng)域，可實(shí)現(xiàn)致病菌、添加劑的現(xiàn)場(chǎng)快速篩查。
盡管技術(shù)已取得顯著進(jìn)展，仍面臨三大挑戰(zhàn)：特殊結(jié)構(gòu)光波導(dǎo)的規(guī)模化制備成本較高；復(fù)雜基質(zhì)樣品的檢測(cè)特異性有待提升；長(zhǎng)期使用的穩(wěn)定性與重復(fù)性需進(jìn)一步優(yōu)化。未來(lái)研究將聚焦三大方向：一是低成本、可規(guī)模化的SERS基底與光波導(dǎo)集成制備技術(shù)開(kāi)發(fā)；二是多模態(tài)融合檢測(cè)系統(tǒng)構(gòu)建，結(jié)合熒光、局域表面等離子體共振(LSPR)等技術(shù)提升特異性；三是人工智能與檢測(cè)系統(tǒng)的深度集成，實(shí)現(xiàn)從樣品預(yù)處理到結(jié)果分析的全流程自動(dòng)化；四是微型化、低功耗便攜式設(shè)備研發(fā)，推動(dòng)技術(shù)在臨床床旁檢測(cè)、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境監(jiān)測(cè)等場(chǎng)景的落地應(yīng)用。
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