【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】近期，中國科學院長春光機所在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、孟浩然共同擔任。該研究系統(tǒng)梳理了SERS與光波導集成技術(shù)的發(fā)展脈絡，深入探討了波導結(jié)構(gòu)設計、傳感界面優(yōu)化、新興技術(shù)融合等關(guān)鍵方向，重點分析了遠程傳感探針與微流控傳感平臺兩大技術(shù)路徑，為下一代超靈敏檢測技術(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)突破與應用成果，還指出了規(guī)?；苽洹⑻禺愋詢?yōu)化等未來挑戰(zhàn)，為超靈敏痕量液體檢測技術(shù)的發(fā)展提供了重要學術(shù)參考，有望推動生物醫(yī)藥、環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域的檢測技術(shù)革新。

 

光流控波導內(nèi)集成SERS傳感概念圖
 

　　SERS-光波導融合：突破傳統(tǒng)檢測瓶頸
 

　　傳統(tǒng)SERS技術(shù)依賴貴金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振(LSPR)效應增強拉曼信號，但其檢測性能受限于激發(fā)與收集效率不匹配、樣品處理復雜等問題。光波導憑借機械柔性、抗電磁干擾、光場約束能力強等優(yōu)勢，與SERS技術(shù)形成完美互補，通過波導介導的光-物質(zhì)相互作用，實現(xiàn)了analyte高效激發(fā)與散射信號強化收集的雙重提升。
 

　　光波導與SERS的集成主要通過兩種核心路徑實現(xiàn)：
 

　　遠程傳感探針：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)，利用光纖的遠程傳輸能力實現(xiàn)原位、無損檢測，適用于生物體內(nèi)外樣品分析等場景。
 

　　微流控傳感平臺：利用光子晶體光纖(PCF)、中空反諧振光纖(HcARF)等微結(jié)構(gòu)光波導的內(nèi)部多孔特性，構(gòu)建集成微流道的SERS檢測系統(tǒng)，實現(xiàn)納升甚至飛升量級樣品的連續(xù)流分析。
 

　　如下圖所示，這種融合技術(shù)顯著突破了傳統(tǒng)檢測的局限：通過倏逝場耦合增強光與樣品的相互作用，檢測靈敏度較傳統(tǒng)SERS提升1-3個數(shù)量級；簡化了光路校準流程，設備體積大幅縮小，為便攜式檢測奠定基礎(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傳感器對羅丹明6G(R6G)的檢測限可達10?¹? mol/L，增強因子高達1.3×10?。
 

　　基于微結(jié)構(gòu)懸浮芯光纖(M-SCF)的腺嘌呤表面增強拉曼散射(SERS)檢測裝置a.光纖內(nèi)微流控SERS檢測裝置示意圖；b. DNA與GO/PDDA/Ag SERS基底的反應示意圖；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)設計到性能優(yōu)化
 

　　SERS-光波導集成技術(shù)的發(fā)展始終圍繞結(jié)構(gòu)創(chuàng)新與性能提升展開，形成了多維度、多層次的技術(shù)體系。
 

　　早期光纖端面修飾SERS基底的方案雖實現(xiàn)了遠程檢測，但存在傳感面積小、信號穩(wěn)定性不足等問題。研究團隊通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化持續(xù)突破：
 

　　傾斜端面與納米結(jié)構(gòu)復合：將光纖端面加工為40°傾斜角并修飾Ag/Al?O?納米結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)95米遠程檢測，顯著提升plasmonic耦合效率。
 

　　特殊形貌光纖設計：錐形光纖探針通過縮小端面尺寸實現(xiàn)局域化檢測，空間分辨率達亞微米級；D型光纖通過側(cè)面拋光暴露纖芯，使SERS活性面積擴大1.6×10³倍，信號增強三個數(shù)量級。
 

　　復合基底構(gòu)建：金納米腔陣列與銀納米顆粒復合結(jié)構(gòu)通過多重反射陷光與LSPR協(xié)同作用，對乙酰氨基酚的檢測限低至0.1 pg，滿足藥物分析需求。
 

　　微結(jié)構(gòu)光波導的出現(xiàn)推動SERS檢測向微流控集成方向發(fā)展，實現(xiàn)了痕量樣品的自動化分析：
 

　　光子晶體光纖(PCF)：通過中空纖芯內(nèi)壁修飾SERS基底，利用帶隙效應約束光場，延長光-物質(zhì)相互作用長度，對R6G的檢測限可達10?¹? mol/L。
 

　　中空反諧振光纖(HcARF)：將光場限制在空氣通道中，減少光纖材料背景干擾，結(jié)合Ag/ZnO納米復合材料修飾，實現(xiàn)外泌體單分子檢測，增強因子超10?。
 

　　懸浮芯光纖(SCF)：纖芯懸浮于空氣孔中形成強倏逝場，通過微流道設計實現(xiàn)樣品與SERS基底的充分接觸，成功應用于腦脊液葡萄糖、DNA腺嘌呤等生物分子的超靈敏檢測，檢測時間僅需25-30秒。
 

　　新興技術(shù)賦能：邁向?qū)嵱没瘷z測新高度
 

　　為進一步提升檢測性能、推動技術(shù)落地，研究團隊將飛秒激光加工、腔增強技術(shù)、人工智能等新興手段與SERS-光波導集成技術(shù)深度融合，解決了傳統(tǒng)方法面臨的結(jié)構(gòu)制備、信號解析等難題。
 

　　飛秒激光直寫：實現(xiàn)SERS基底的高精度、大面積制備，通過激光誘導周期性表面結(jié)構(gòu)(LIPSS)結(jié)合銀納米顆粒沉積，構(gòu)建超疏水/親水復合平臺，對結(jié)晶紫的檢測限低至1.22×10?¹? mol/L。
 

　　多材料復合修飾：將石墨烯、MXenes等二維材料與貴金屬納米顆粒復合，既抑制納米顆粒團聚，又通過電荷轉(zhuǎn)移效應增強拉曼信號，提升檢測穩(wěn)定性。
 

　　腔增強技術(shù)：通過光子晶體微腔、法布里-珀羅(FP)腔等結(jié)構(gòu)實現(xiàn)光場多重反射，進一步強化LSPR效應，使信號增強因子再提升一個數(shù)量級。
 

　　如下圖所示，人工智能輔助分析：利用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)、主成分分析(PCA)等算法處理復雜拉曼光譜，有效排除背景干擾，實現(xiàn)多組分混合樣品的精準識別。例如，基于機器學習的SERS系統(tǒng)成功實現(xiàn)SARS-CoV-2病毒的快速檢測，準確率超98%。
 

　　基于致癌 RNA(oncRNA)的液體活檢平臺及Orion架構(gòu)。a.基于癌癥基因組圖譜(TCGA)組織數(shù)據(jù)集與非癌癥對照樣本的非小細胞肺癌(NSCLC)致癌RNA(oncRNA)驗證圖；b. Orion模型架構(gòu)所需的兩個輸入計數(shù)矩陣示意圖；c.三元組邊際損失在模擬數(shù)據(jù)上的應用示意圖；d.損失收斂曲線圖。
 

　　應用場景與未來展望
 

　　SERS-光波導集成技術(shù)已在多個領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大應用潛力：在生物醫(yī)藥領(lǐng)域，可實現(xiàn)腫瘤標志物、神經(jīng)遞質(zhì)、核酸堿基的超靈敏檢測，為早期疾病診斷提供支持；在環(huán)境監(jiān)測中，能夠快速檢測水體中的重金屬離子、農(nóng)藥殘留等污染物，檢測限達納摩爾級；在食品安全領(lǐng)域，可實現(xiàn)致病菌、添加劑的現(xiàn)場快速篩查。
 

　　盡管技術(shù)已取得顯著進展，仍面臨三大挑戰(zhàn)：特殊結(jié)構(gòu)光波導的規(guī)?；苽涑杀据^高；復雜基質(zhì)樣品的檢測特異性有待提升；長期使用的穩(wěn)定性與重復性需進一步優(yōu)化。未來研究將聚焦三大方向：一是低成本、可規(guī)模化的SERS基底與光波導集成制備技術(shù)開發(fā)；二是多模態(tài)融合檢測系統(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系統(tǒng)的深度集成，實現(xiàn)從樣品預處理到結(jié)果分析的全流程自動化；四是微型化、低功耗便攜式設備研發(fā)，推動技術(shù)在臨床床旁檢測、現(xiàn)場環(huán)境監(jiān)測等場景的落地應用。