1 广东石油化工学院理学院，广东 茂名 525000
2 佛山科学技术学院机电工程与自动化学院，广东 佛山 528225
3 长春理工大学理学院，吉林 长春 130022
表面增强拉曼散射（SERS）技术在痕量检测等领域中具有重要的作用，制备周期性微纳结构，构建表面等离子体耦合体系，是当前实现高性能SERS基底的主要方法之一。鉴于传统周期性微纳制备技术成本高、效率低等不足，提出了激光干涉诱导向前转移（LIIFT）技术，利用三光束LIIFT制备周期性Ag微点结构，并分析了结构基底的SERS特性。研究结果表明：基于LIIFT技术可以实现Ag微点结构的大面积、高效制备，并且通过调节三光束干涉光场周期，可以实现对Ag纳米颗粒的可控制备。最后，以典型食品添加剂罗丹明B（RhB）为检测对象，验证了Ag微点结构的SERS特性。该研究表明LIIFT技术是一种高效制备SERS芯片的有效途径，在食品、环境及生物工程等领域中具有潜在的应用价值。
激光技术 激光干涉光刻 激光诱导向前转移 Ag微点结构 表面增强拉曼散射特性 中国激光
2024, 51(16): 1602406
1 河北工程大学数理科学与工程学院，河北 邯郸 056038
2 河北省计算光学成像与光电检测技术创新中心，河北 邯郸 056038
3 河北省计算光学成像与智能感测国际联合研究中心，河北 邯郸 056038
表面增强拉曼散射（SERS）是一种非接触式、无损伤、高灵敏的光谱分析技术，具备分子指纹识别能力，在材料学、化学、物理学、地质学和生命科学等学科有着广泛的应用。相较于传统的刚性基底，柔性SERS基底能够对非平面表面的分析物进行原位检测和现场实时检测。然而，设计和制备高灵敏、高重现性的柔性SERS基底仍存在一些挑战。因此，综述了柔性SERS基底的最新研究进展，探讨了5种不同类型柔性SERS基底的制备、性能和应用以及未来发展趋势，对SERS基底的研究具有一定指导意义。
光谱学 表面增强拉曼散射 柔性薄膜 纳米材料 快速检测 激光与光电子学进展
2024, 61(9): 0900010
1 西安电子科技大学生命科学技术学院西安市跨尺度生命信息智能感知与调控重点实验室，陕西 西安 710126
2 西安电子科技大学广州研究院先进医学影像与智慧医疗创新中心，广东 广州 510555
拉曼显微成像技术无需样本制备，具有无损、无创、对水溶液不敏感的优点，可在微米或纳米尺度下表征样本的生化组分及分布，成为生命科学领域重要的研究工具。随着对复杂生物样本研究的不断深入，拉曼显微成像也被期待能够实现对生物样本中的分子组成与分布的动态立体观测。首先，系统性地梳理近年来三维拉曼显微成像技术的研究进展，包括基于自发拉曼散射、相干拉曼散射、表面增强拉曼散射以及拉曼标签的不同三维成像方法的技术手段、改进策略与实验结果。然后，总结了不同成像技术在细胞生物学、发育生物学等方面的应用进展。最后展望了不同三维拉曼显微成像技术在生物医学光学显微成像技术应用中所面临的挑战和发展前景。
三维显微成像 拉曼显微成像 自发拉曼散射 相干拉曼散射 表面增强拉曼散射 拉曼标签 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618010
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽省光子器件与材料重点实验室，安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230026
3 安徽大学物质科学与信息技术研究院，安徽 合肥 230039
研究了批量制备的锥形光纤表面增强拉曼散射（SERS）探针的定量检测性能。在统一的制备条件下，基于静电吸附自组装方法批量制备的同一批次锥形光纤探针具有良好的互换性。基于相同检测条件，在同一福美双样品浓度下测得SERS光谱幅度的相对标准偏差（RSD）可达8%以下。不同批次的光纤探针存在互换性退化问题，难以满足实际定量检测应用对光纤探针数目的要求。为了解决该问题，提出并演示了一种将不同批次光纤探针的光谱数据同化至同批次光纤探针测量结果的同化方法。通过对同化后的大样本光谱数据进行统计平均和数据拟合，获得了福美双样品在2×10-8~10-6 mol/L浓度范围内的SERS定量关系曲线，福美双加标样品的测试回收率可达90%~110%。该研究结果对于实际SERS定量检测具有参考意义。
光纤光学 表面增强拉曼散射 锥形光纤探针 批量制备 定量检测 静电吸附自组装法 福美双
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Materials and Clean Energy, School of Physics and Electronics, Shandong Normal University, Jinan 250014, China
2 State Key Laboratory of Fluid Power and Mechatronic Systems, School of Mechanical Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310030, China
Surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrates based on chemical mechanism (CM) have received widespread attentions for the stable and repeatable signal output due to their excellent chemical stability, uniform molecular adsorption and controllable molecular orientation. However, it remains huge challenges to achieve the optimal SERS signal for diverse molecules with different band structures on the same substrate. Herein, we demonstrate a graphene oxide (GO) energy band regulation strategy through ferroelectric polarization to facilitate the charge transfer process for improving SERS activity. The Fermi level (Ef) of GO can be flexibly manipulated by adjusting the ferroelectric polarization direction or the temperature of the ferroelectric substrate. Experimentally, kelvin probe force microscopy (KPFM) is employed to quantitatively analyze the Ef of GO. Theoretically, the density functional theory calculations are also performed to verify the proposed modulation mechanism. Consequently, the SERS response of probe molecules with different band structures (R6G, CV, MB, PNTP) can be improved through polarization direction or temperature changes without the necessity to redesign the SERS substrate. This work provides a novel insight into the SERS substrate design based on CM and is expected to be applied to other two-dimensional materials.
surface-enhanced Raman scattering (SERS) ferroelectric PMN-PT graphene oxide (GO) photo-induced charge transfer (PICT) Opto-Electronic Advances
2023, 6(11): 230094
重庆邮电大学光电工程学院, 光电信息感测与传输技术重庆重点实验室, 重庆 400065
表面增强拉曼散射(SERS)技术具有灵敏度高、 检测速度快、 能够实时分析等优势, 广泛应用于医疗、 生物、 食品安全、 环境监测等领域。 目前SERS信号探测方式主要有单点探测、 长程探测两种方式。 由于存在样品分子分布不均、 激光光斑探测范围有限等因素干扰, 单点探测方式的重复性易受到影响。 为了弥补单点探测的不足, 近年来以光波导和光纤为载体的拉曼信号长程探测被大量研究。 归纳总结了近几年SERS信号长程探测的研究进展, 并分析了当前长程探测方式面临的挑战和未来发展趋势。 首先, 介绍了单点探测和长程探测基本原理。 其次, 介绍了基于光纤的SERS信号长程探测研究进展。 基于光纤的SERS信号长程探测方式包括空心光纤和实心光纤两类。 基于空心光纤的SERS信号长程探测方式采用空心光纤作为液体输运与信号传输的复合通道, 具有厘米量级的有效探测距离以及较高灵敏度, 但该探测方式进样困难且复合通道内待测样本分子不易彻底清洗; 基于实心光纤的SERS信号长程探测, 通常使用物理或化学手段对实心光纤的固有结构进行处理, 探测距离一般在微米至毫米量级, 该类型的制作难度相对较高。 然后概述了基于光波导的SERS信号长程探测研究情况。 基于液芯光波导的SERS信号长程探测方式将微流体与SERS相结合, 可有效增加样品分子与SERS“热点”的接触面积, 提高其探测灵敏度。 该方式可达到单分子检测水平, 但在微通道中制备增强介质存在困难。 基于固体光波导的SERS信号长程探测目前大多处于理论分析阶段, 常通过仿真软件对SERS长程探测结构进行研究分析, 探明其作用过程机理。 最后, 对SERS信号长程探测方式研究进展进行了总结和展望, 并提出可行的研究建议, 为SERS信号长程探测相关研究提供参考依据。
表面增强拉曼散射 长程探测 光纤 光波导 Surface-enhanced Raman scattering Long-range detection Optical fiber Optical waveguide 光谱学与光谱分析
2023, 43(8): 2325
西安工业大学材料与化工学院， 陕西 西安 710021
表面增强拉曼散射(SERS)技术具有高灵敏度、 高分辨率、 无损检测及不需要预处理等优点， 已成为一种可以实现定性定量分子检测的有力工具， 使目标分析物信号放大的痕量检测技术， 甚至能够在分子水平上提供丰富的结构信息。 虽然SERS增强机理一直存在争议， 但目前被广泛接受的增强机理包括物理增强(电磁场增强)和化学增强(主要为电荷转移的贡献)。 随着近年来金属、 非金属等诸多材料应用于SERS领域， 诸多学者对于影响SERS基底的增强因素产生广泛兴趣， 对于SERS增强机理的研究具有重要意义。 综述中主要从SERS电磁增强机理、 化学增强机理及两者的协同机理三个方面对SERS增强机理进行阐述， 分析哪些因素影响基底增强效应， 为SERS增强机理的分析提供一些参考。 同时提出不同基底结构在增强机理分析过程中面临的问题: (1)在电磁增强机理中， 单一贵金属基底因其“热点”分布不均匀、 不可控因素导致SERS灵敏度和重复性差等因素， 对SERS电磁增强机理影响效果较大; (2)在化学增强机理中， 单一半导体材料由于价格实惠、 材料性能较稳定、 表面易于改性等优点被广泛应用于SERS基底、 由于增强能力较低等因素、 对SERS化学增强效果不明显; (3)SERS基底不再局限于单一的金属或者非金属材料， 更多是金属-非金属两者的结合， 既能够弥补贵金属的缺点， 也能利用非金属的优点， 通过电磁增强机理和化学增强机理的协同作用有效提高SERS增强能力。 对于SERS增强机理的分析， 有助于制备均一性强、 重复性高的SERS基底， 为SERS基底的制备提供参考。
表面增强拉曼散射 电磁场增强机理 化学增强机理 SERS基底 Surface Enhanced Raman Scattering (SERS) Electromagnetic enhancement mechanism Chemical enhancement mechanism SERS substrate 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1340
重庆大学光电工程学院光电技术及系统教育部重点实验室，重庆 400044
为了进一步提升传统金属纳米结构表面增强拉曼散射（SERS）衬底的检测灵敏度和均匀性，提出了银修饰开放纳米腔多孔阳极氧化铝模板（AAO）复合结构的SERS新衬底，利用AgNPs（Ag nanoparticles）表面的局域表面等离子共振效应、银纳米粒子之间的热点效应，以及AAO结构的开放纳米腔的腔增强效应，实现了高灵敏度分子检测。采用液-液界面自组装方法将AgNPs修饰到AAO腔体中；利用FDTD（finite difference time domain）仿真软件对结构的电磁场分布特性进行了研究；开展了系统的拉曼测试实验，实验结果表明：相较于传统SiO2-AgNPs衬底，AAO-AgNPs的拉曼光谱强度提高了4.7倍；以R6G（rhodamine 6G）为探针分子，AAO-AgNPs衬底的最大分析增强因子约为2.38×1010，检测极限可达10-16 mol/L；此外，实验验证了该复合结构的多分子检测功能。
表面光学 表面增强拉曼散射 银纳米颗粒 阳极氧化铝模板 复合结构 光学学报
2023, 43(23): 2324001
上海理工大学光电信息与计算机工程学院，上海 200093
采用有限时域差分（FDTD）法仿真了不同闪耀光栅结构上的银（Ag）薄膜模型。在633 nm的激发光下，闪耀光栅上周期为1/1200 mm、厚度为15 nm的Ag薄膜模型产生了较强的局域表面等离子体共振（LSPR）效应。利用机械刻划工艺和电子束蒸发镀膜工艺成功制备了这种Ag光栅薄膜，从而大幅降低了图案化电场增强薄膜的制备成本和难度。利用该电场增强Ag薄膜，基于表面增强拉曼散射（SERS），对亚甲基蓝染料进行检测，SERS信号强度增强，与FDTD仿真结果吻合。同时，基底不同位置处的主要特征峰强度的相对标准偏差（RSD）值都小于17%，薄膜表现出良好的均匀性和再现性。
薄膜 局域表面等离子体共振 有限时域差分法 金属薄膜 闪耀光栅 表面增强拉曼散射 中国激光
2023, 50(23): 2303101
1 广西糖资源绿色加工重点实验室, 广西科技大学生物与化学工程学院, 广西 柳州 545006
2 广西科技大学医学部, 广西 柳州 545005
氯霉素(CAP)是一种人工合成的抗生素, 通过与细菌的核糖体进行结合而抑制蛋白质合成达到抑菌目的。 长期摄入残留CAP动源性食品会导致人体发生贫血及白血病, 也会使机体产生耐药性严重危害人类健康, 许多国家规定不得在畜产品中检出CAP, 因此, 设计一种更快速简便且高特异性的CAP检测方法具有重要意义。 以CAP的巯基化适配体(SH-Apt)修饰银纳米棒阵列芯片(芯片)作SERS基底、 以DNA杂交指示剂亚甲基蓝(MB)作为拉曼信号分子, 利用CAP、 CAP适配体互补链(cDNA)与CAP适配体(Apt)竞争结合的关系, 构建了一种新型的高特异性CAP-SERS适配体传感器。 利用扫描电子显微镜(SEM)、 X射线衍射(XRD)及EDS能谱仪对芯片及CAP-SERS适配体传感器进行表征, 结果表明芯片表面均匀分布大量银元素且证明CAP-SERS适配体传感器成功制备。 在室温条件下对CAP标准样进行检测, 传感器相关性能的考察结果表明, 在0.001～10 ng·mL-1范围之间, CAP浓度的对数值(logc)与1 624 cm-1处的SERS信号强度(ISERS)存在良好的线性关系： ISERS=-971logc+1 983(R2=0.991)。 拉曼增强因子EF=1.01×107, 检测限为0.2 pg·mL-1(S/N=3), 进一步表明该基底具有良好的拉曼增强效果。 应用该传感器分别检测CAP片剂、 人血清及猪血清中的CAP, 并进行加标试验, 结果令人满意, 回收率在91.2%~120.5%之间, RSD(n=3)在0.97%~8.1%之间, 证明该传感器有良好的准确性。 该传感器具有制作简单、 灵敏度高、 选择性强、 重现性和稳定性好以及检测速度快等优点, 可望应用于实际样品中CAP的快速定量检测, 为检测CAP提供了一种新思路。
亚甲基蓝 适配体 表面增强拉曼光谱 适配体传感器 氯霉素 Methylene blue Aptamer Surface-Enhanced Raman Scattering Aptamer sensor Chloramphenicol 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3445
