表面增强拉曼散射(SERS)是一种无损、 高灵敏、 快速检测痕量重金属离子的光谱技术。 通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振(LSPR)与表面等离子体激元(SPP)的耦合以提升电磁场强度, 是获得高性能SERS芯片的重要新途径。 提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。 利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、 批量制备。 该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。 采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟, 通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。 模拟结果表明, 纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、 低两个应力分区, 其中, 高应力区占图案~72%的面积, 其应力均匀性比单层模板提升17%; 低应力区分布在图案边缘~28%的区域, 可有效减小脱模切应力。 当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm, 界面应力整体提升1~2个数量级, 将显著提高压印成功率。 使用不同横向尺寸的单、 双层模板进行压印实验结果表明, 尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备, 这与模拟结果高度一致。 在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。 此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10^-12 mol·L^-1, 增强因子达3×10⁸, 检测均一性RSD为8.07%。 该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10^-11 mol·L^-1), 浓度线性工作范围为5.0×10^-11~5.0×10^-5 mol·L^-1, 跨度达6个数量级, 呈现良好的线性关系(R²=0.966), 在目前汞离子检测技术中具有显著优势。 提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。 这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点, 推动其实际应用。

多种农药, 包括孔雀石绿(MG)作为禁用兽药, 存在食用致癌的风险。 由于MG低廉的价格和极好的药效, 在渔业养殖中一直被不法商贩非法使用, 使得鱼类生鲜中时有MG残留检出。 针对MG分子痕量残留的检测, 目前一般是抽取少量养殖水样, 再利用高效液相色谱柱、 液相色谱-光谱等方法来评估其是否超标。 这类传统的检测方法一般需要依赖价格昂贵的大型设备, 且检测过程操作繁琐复杂, 单次检测耗时长、 价格高, 因而与农贸市场中商品流通量大、 速度快、 价格需亲民低廉等特点和要求不相符合。 近年来, 表面增强拉曼散射(SERS)检测技术以及便携式拉曼光谱仪的出现, 有望实现对痕量农药分子的现场快速检测, 进而很好地解决这一问题。 SERS检测技术利用金属纳米结构的表面等离激元效应感应位于其结构表面附近的分子, 得到分子种类和浓度信息。 为了降低可检测的浓度极限, 一般会在SERS基底上利用咖啡环效应或其他手段将待测分子蒸发富集, 以获得足够高的信号强度。 针对亲水基底, 液滴与基底相接触后, 会在基底表面摊开, 使其分布面积扩大, 导致其咖啡环周长变长, 分子分布浓度随之降低。 而当采用疏水基底富集时, 由于常规的疏水基底表面黏附性小, 液滴在其表面处于随处滚动无法抓取的状态, 极大增加了操作的难度。 以MG分子痕量残留的检测为例, 由于农贸市场人员众多、 无专业实验平台, 磕碰撞击时有发生, 在此环境下采用疏水SERS基底对农药分子进行检测显然是不可取的。 该研究提出一种基于超疏水高黏附纳米森林结构的SERS基底用于痕量MG分子的快速现场检测。 相比于超疏水SERS基底, 所提出的超疏水高黏附基底利用其高黏附性可牢固抓取待测液滴, 解决了以往超疏水基底在实际现场检测中存在液滴滚动无法操作的问题。 此外, 与亲水基底相比, 超疏水高黏附基底由于接触角大, 可将咖啡环面积缩小5.73倍, 继而使分子的富集浓度提高5.73倍, 最终使检测极限浓度降低了至少两个数量级。 研究所提出的超疏水高黏附SERS基底有望在痕量农药分子快速现场检测中得到应用。

核酸是生命最基本的遗传物质, 开展核酸分子诊断对促进人类健康医疗的发展具有重要意义。 表面增强拉曼光谱(SERS)是一种快速无损检测技术, 具有制样简单、 水的干扰小、 非侵入、 实时检测等优点, 在核酸检测、 病原微生物检测、 肿瘤精准分子诊断等领域展现出良好的应用潜力。 该研究立足于临床检验应用的角度, 简要阐述了SERS技术原理及SERS增强理论, 重点介绍了SERS在核酸检测方面的最新研究方法及研究成果。 传统的非标记型检测方法是直接检测靶核酸的拉曼信号, 但其灵敏度和特异性并不能满足检测要求。 在标记型SERS核酸检测技术中, 充分利用SERS的“指纹图谱”分析优势, 以DNA探针的方式将拉曼活性分子与靶核酸连接, 通过对DNA探针上拉曼活性分子信号变化的检测和分析, 可实现对靶核酸的定性及定量分析, 达到可控度及稳定性好的高通量检测目的, 提高检测灵敏度及特异性。 按照不同的拉曼信号放大方式, SERS标记型核酸检测方法主要包括: “夹心法”、 “信号开关法”及链式杂交反应信号放大法, 特别以夹心法检测策略的灵敏度最高。 已有研究表明SERS在DNA/RNA检测应用中可克服传统方法对样本要求高、 耗时等缺点, 实现灵敏快速的检测分析, 为核酸分子的实时快速检测及临床疾病的实时精准诊断提供有效的分析工具。 同时, 指出了SERS技术在临床应用方面依然面临诸多挑战: (1)拉曼活性分子与纳米颗粒的结合稳定性差, 较难实现大规模生产重现性能好、 可长期稳定储存的高灵敏度SERS探针; (2)临床生物样本成分复杂, 对SERS检测信号的干扰因素较多, 因此选择有效的数据分析方法非常重要; (3)研究高灵敏、 易操作、 低成本的拉曼光谱仪是将SERS技术转化为临床实际应用的关键。 随着SERS研究的深入及多学科领域的交叉发展, SERS技术有望广泛应用于核酸检测以及整个生物医学检测领域, 为生命科学提供一种强大的分析技术。

为了快速灵敏地检测特布他林(terbutaline，TB)，制备核?卫星纳米结构的Fe₃O₄/SiO₂/Au-MNPs磁性基底对其进行表面增强拉曼光谱(SERS)检测。通过磁性分离、调节体系pH的方法考察特布他林浓度与拉曼光谱强度之间的线性关系并绘制校准曲线。实验结果表明，该纳米卫星结构的磁性SERS基底对TB的检测限为3.77×10^?10 mol/L，同时在5×10^?5 ～5×10^?9 mol/L范围内，TB的SERS信号与其浓度呈线性关系，利用最小二乘法拟合得到的线性相关系数R²为0.996。该复合材料制备方法简便易行，为合成其他纳米复合材料提供了参考。

为了提高拉曼光谱仪的探测灵敏度，设计了铜基表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering, SERS）薄膜基底。以Cu₄₀Ti₆₀合金为靶材，通过控制磁控溅射参数获得了一系列铜钛合金薄膜，采用脱合金法进一步获得了不同结构的铜基薄膜，系统地研究了不同溅射参数对铜基薄膜的SERS特性的影响，确定了制备SERS基底的最佳溅射参数。脱合金后所得铜膜具有多孔结构，能形成高强度局域电磁场，即SERS“热点”（hotspots），从而表现出优异的SERS增强性能。该基底制备成本低，重复性好，能用于灵敏检测且SERS增强因子可达1.8×10⁷，具有较好的应用前景。