微流控SERS芯片的激光制造系统示意图。

表面增强拉曼散射（SERS）已成为生物技术领域的研究热点。这是因为它对纳米结构金属的局域表面等离子体共振非常敏感。由于需要使用偶联剂或交联剂处理SERS底物，因此大分子量生物分子的痕量检测仍然具有挑战性。研究人员应用液体界面辅助SERS实现了生物分子的无标记痕量检测。结果表明，该方法在病毒感染和阿尔茨海默病的早期诊断中具有良好的应用前景。

表面增强拉曼散射（SERS）基于贵金属纳米颗粒或纳米结构的表面等离子体激元诱导的光学近场效应，通过激光辐射将拉曼信号放大至常规拉曼信号的1014倍。由于增强的强度，SERS技术继续在生物材料的痕量检测和分析中引起越来越多的兴趣。它在单个细胞的细胞器成像、癌细胞追踪和生物标记物识别等领域引起了越来越多的兴趣。

（a，c）微通道中分析物溶液的常规SERS和LI-SERS测量示意图。（b，d）DNA bases, adenine (A) and cytosine, (C) and thymine (T)的拉曼光谱，分别使用微流控SERS芯片和2-D纳米结构SERS衬底，通过常规SERS（1μM浓度）和LI-SERS（1 fM浓度）测量。

SERS技术可用于生物医学领域的早期疾病诊断和肿瘤治疗。尽管由于使用了新型SERS底物和方法，SERS的增强因子通常在106–108之间，但由于SERS闪烁，通过无标签SERS检测单分子是不可行的，这一现象的起因是分析物分子从热点逃逸。此外，生物分子，包括脱氧核糖核酸（DNA）和蛋白质，很难通过SERS直接检测。需要用SERS底物进行额外处理以结合生物分子。

（a）制造示意图（b）微流控SERS芯片照片（c）显示SERS基板的光学显微镜图像。（d）原始金属膜的SEM图像，（e）第一次激光扫描产生的波纹，以及（f）第二次激光扫描生成的纳米点（插入：低倍SEM图像）。（g） 10-9M罗丹明6G（R6G）在2-D（黑色）和1-D（红色）纳米结构SERS衬底上的拉曼光谱。

研究团队提出了LI-SERS，它实现了大于1014的SERS增强因子，远高于常规的SERS方法。微流控SERS芯片的特点是将Ag-Cu SERS衬底集成到嵌入式玻璃微通道中。混合飞秒激光加工产生了grass微通道。

fs激光混合处理可以创建更复杂的3D结构，增强生物芯片、传感器和微电子设备的功能。当微流控通道中SERS衬底上的分析物溶液和空气之间的界面受到拉曼激发激光照射时，LI-SERS强度比常规SERS增加了六个数量级。激光诱导的Marangoni流与光俘获的协同作用是LI-SERS的机制。激光照射将把分析物分子引导到热点，在那里收集的分子被光学力捕获。因此，分析物分子被固定在SERS底物上，实现了强拉曼散射。

（a）模拟激光加热引起的液体界面附近SERS衬底上液体的温度和压力分布。（b）由Marangoni流和光捕获控制的分析物分子局部聚集图。（c）通过LI-SERS测量将R6G分子固定在基底上。

该研究表明，LI-SERS方法具有较强的实用性。它特别适用于痕量检测具有大分子质量的无标签生物分子，包括DNA碱基、DNA序列和β-淀粉样蛋白(Aβ)。由于LI-SERS的超高灵敏度和自固定性，无需额外的偶联或交联剂处理，即可获得检测限为1 fM的DNA碱基和DNA序列的区分。此外，LI-SERS技术可以在低于1pm的水平检测到无标签的a β(阿尔茨海默病的生物标志物)，并且拉曼信号与a β浓度在1nm - 1pm范围内实现线性相关。LI-SERS的无标签生物传感能力为临床疾病的早期诊断提供了巨大的潜力。

总之，研究人员概述了微流控SERS芯片中生物分子痕量检测的LI-SERS方法的范围，特别是DNA碱基和Aβ的超痕量检测。允许在微通道中形成液体界面。LI-SERS诱导的Marangoni流和光陷阱效应表明，无标记DNA碱基的检测限为1fM。LI-SERS方法的显著特点，包括与热点收集和自固定分析物分子相关的超高灵敏度和多功能性，将有助于早期疾病诊断，如病毒感染和阿尔茨海默病。

来源：Label-free trace detection of bio-molecules by liquid-interface assisted surface-enhanced Raman scattering using a microfluidic chip, Opto-Electronic Advances (2022). DOI: 10.29026/oea.2022.210121