表面增強拉曼散射/光譜（SERS）自1974年發現以來，因其強大的痕量檢測能力，已被證實在環境監測、食品安全、生物醫療，國防安全等諸多領域內具有潛在應用價值。特別是近十年，SERS技術已經向單分子檢測領域邁進，成為目前檢測本領最為強大的技術之一。

SERS的增強機制主要是基于貴金屬納米材料的近場效應所形成：外界光對小于光波長的金屬納米結構激發時，電子將發生集體震蕩而形成局域表面等離子共振現象，因而金屬表面的局域電場被增強并對拉曼散射光進行放大。目前，SERS技術因其無損、高靈敏、低毒和生物相容性等優勢，倍受生物醫學相關研究領域的關注，有望未來在生物細胞/組織成像、癌癥治療、靶向藥研發、細胞活動分析、精準外科手術等方面大展身手。

此外，SERS和微流控技術相結合，可以實時動態對微流道內的細胞（器）進行觀察、鑒定和分析，以及微流內痕量物質的高準確度鑒別，多組分分析等，是雙/多技術協作下，“雙贏”策略的代表性新技術。

日本理化學研究所的Koji Sugioka教授所帶領的團隊展示了一種新型液面輔助SERS（LI-SERS）微流控技術，用于無標記生物分子的痕量檢測，并成功實現了近單分子水平的脫氧核糖核酸鏈（DNA）的快速區分和鑒定。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法進行玻璃微流道制備的方案（圖2a）。同時將飛秒激光誘導的金屬三維周期結構（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的二維結構。在金屬溝壑內的被檢測分子的拉曼信號將會受到耦合局域增強電場（“熱點”）的激發，產生10?數量級以上的放大。

圖1 微流控SERS芯片激光制造系統原理圖

圖2（a）復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周期性結構用于SERS檢測

為了進一步提高增強倍數，文章中介紹一種名為LI-SERS的新型檢測方法，以實現101?數量級拉曼信號放大。如圖3所示，在微流道內部，當拉曼激發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，實現單分子水平檢測本領。

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

通過對比拉曼峰位置和強度即可快速實現低濃度下核酸物質的鑒別。該測試方法可為未來新一代單分子核酸序列讀取技術提供新的思路。

圖3（a)液面輔助表面增強拉曼散射示意圖；（b）兩種由不同堿基構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