表面增強(qiáng)拉曼散射/光譜（SERS）自1974年發(fā)現(xiàn)以來，因其強(qiáng)大的痕量檢測能力，已被證實(shí)在環(huán)境監(jiān)測、食品安全、生物醫(yī)療，國防安全等諸多領(lǐng)域內(nèi)具有潛在應(yīng)用價值。特別是近十年，SERS技術(shù)已經(jīng)向單分子檢測領(lǐng)域邁進(jìn)，成為目前檢測本領(lǐng)最為強(qiáng)大的技術(shù)之一。

SERS的增強(qiáng)機(jī)制主要是基于貴金屬納米材料的近場效應(yīng)所形成：外界光對小于光波長的金屬納米結(jié)構(gòu)激發(fā)時，電子將發(fā)生集體震蕩而形成局域表面等離子共振現(xiàn)象，因而金屬表面的局域電場被增強(qiáng)并對拉曼散射光進(jìn)行放大。目前，SERS技術(shù)因其無損、高靈敏、低毒和生物相容性等優(yōu)勢，倍受生物醫(yī)學(xué)相關(guān)研究領(lǐng)域的關(guān)注，有望未來在生物細(xì)胞/組織成像、癌癥治療、靶向藥研發(fā)、細(xì)胞活動分析、精準(zhǔn)外科手術(shù)等方面大展身手。

此外，SERS和微流控技術(shù)相結(jié)合，可以實(shí)時動態(tài)對微流道內(nèi)的細(xì)胞（器）進(jìn)行觀察、鑒定和分析，以及微流內(nèi)痕量物質(zhì)的高準(zhǔn)確度鑒別，多組分分析等，是雙/多技術(shù)協(xié)作下，“雙贏”策略的代表性新技術(shù)。

日本理化學(xué)研究所的Koji Sugioka教授所帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)展示了一種新型液面輔助SERS（LI-SERS）微流控技術(shù)，用于無標(biāo)記生物分子的痕量檢測，并成功實(shí)現(xiàn)了近單分子水平的脫氧核糖核酸鏈（DNA）的快速區(qū)分和鑒定。該工作以“Label-free trace detection of bio-molecules by liquid-interface assisted surface-enhanced Raman scattering using a microfluidic chip”為題發(fā)表在Opto-Electronic Advances期刊。

LI-SERS微流控芯片的制備采用了飛秒激光輔助化學(xué)法進(jìn)行玻璃微流道制備的方案（圖2a）。同時將飛秒激光誘導(dǎo)的金屬三維周期結(jié)構(gòu)（LIPSS）加工到玻璃微流道底部作為SERS基底（圖2b）。玻璃微流道底部通過飛秒激光選區(qū)金屬化的方式形成150mm x 150mm銀金屬薄膜。

通過線偏振飛秒激光二次正交方式掃描刻蝕銀薄膜，在其表面形成周期為140nm，溝壑寬40nm的二維結(jié)構(gòu)。在金屬溝壑內(nèi)的被檢測分子的拉曼信號將會受到耦合局域增強(qiáng)電場（“熱點(diǎn)”）的激發(fā)，產(chǎn)生10?數(shù)量級以上的放大。

圖1 微流控SERS芯片激光制造系統(tǒng)原理圖

圖2（a）復(fù)合飛秒激光加工制備玻璃微流道芯片；（b）微流道底部銀襯底上形成的飛秒激光誘導(dǎo)周期性結(jié)構(gòu)用于SERS檢測

為了進(jìn)一步提高增強(qiáng)倍數(shù)，文章中介紹一種名為LI-SERS的新型檢測方法，以實(shí)現(xiàn)101?數(shù)量級拉曼信號放大。如圖3所示，在微流道內(nèi)部，當(dāng)拉曼激發(fā)光恰好被聚焦在被探測分子溶液的空氣-液體界面時，可獲得近單分子水平的拉曼信號，實(shí)現(xiàn)單分子水平檢測本領(lǐng)。

LI-SERS方法所獲得的拉曼增強(qiáng)倍數(shù)比傳統(tǒng)SERS技術(shù)高5-6個數(shù)量級。受益于LI-SERS的單分子水平的檢測本領(lǐng)，即使是低拉曼散射截面的分子（如生物分子），在無標(biāo)記情況下亦可獲得極強(qiáng)的拉曼信號。如圖3b中展示的是采用LI-SERS方法對10fM濃度、不同堿基構(gòu)成的兩種DNA分子鏈的拉曼測試結(jié)果。

通過對比拉曼峰位置和強(qiáng)度即可快速實(shí)現(xiàn)低濃度下核酸物質(zhì)的鑒別。該測試方法可為未來新一代單分子核酸序列讀取技術(shù)提供新的思路。

圖3（a)液面輔助表面增強(qiáng)拉曼散射示意圖；（b）兩種由不同堿基構(gòu)成的脫氧核糖核酸鏈（DNA，10fM）拉曼光譜圖

論文鏈接：

http://doi.org/10.29026/oea.2022.210121

審核編輯：劉清