基于表面增強拉曼光譜的光流體分析

翟玉翠

摘要：本文論述了基于表面增強拉曼光譜的光流體分析，表面增強拉曼散射（ SERS）有結合簡化免標記被分析物，基于熒光檢測的低檢測極限和鑒別分析物特定分子拉曼光譜的潛力。為了增加拉曼散射的交錯部分至幾個數量級的放大，SERS利用很好理解的由金屬納米結構提供的電磁增強，以及一種由于金屬分子的相互作用的化學增強，這尚未得到很好的理解的。SERS已經被用來觀察單分子的拉曼散射。盡管自SERS被提出已經35年，這一強大的技術的實際應用依然十分有限。

關鍵詞：表面增強拉曼散射;光流體

中圖分類號：0657. 37

文獻標識碼：A

文章編號：1672 -1578（2019）08 -0284 -01

一個提高SERS實際應用的方法是將檢測結構融入一個承載其他功能的微流體系統中。共同實現使樣品通過在金屬納米顆粒膠體溶液中的通道和在一個微流體通道底部結合一個納米結構表面。通常，然而，用微流體環境控制SERS測量可能對于檢測極限有害，因為當結合金屬納米結構表面時減少了SERS活性位置的數目和在微流體環境中低分析物分子大量傳輸。近期的光流體SERS對于這些缺點進行了彌補，通過增加目標分析物分子的數量，這些分子被激勵源激勵或者與SERS活性表面相互作用，從而提高SERS的性能。

一個提高SERS機制的光流體方法是利用光子幾何尺寸延伸檢測體積，如此包含了更多檢測物分子和SERS活性點。例如，PCFs（圖le）利用多孔芯或包層作為一個微流體通道;激勵光和拉曼散射光子沿著PCF內的樣品傳播，如此檢測體積延伸到整個PCF的長度。楊等人，利用空芯PCF作為微流體通道，而Khaing 00等人利用多孔包層。在兩個例子中，報道的羅丹明6G檢測極限在lOOpM左右，這比之前描述的傳統微流體SERS實現的檢測極限明顯變大了。這種光流體SERS概念被Measor等人翻譯到芯片的實現，運用了之前討論過的ARROW結構，使流體SERS增強集合其他芯片結合RS檢測的能力。

SERS還能利用微米和納米流體提高集中分析物或分析物納米顆粒聚集到檢測體積中。這增加了SERS的性能和實用性通過去除依賴運送目標擴散到檢測體積中。王等人表示這可以被動地被實現通過用納米量級幾何尺寸的聚集的聚合物，特別通過利用一個位于進口和出口之間的40 nm高的通道裝置。在這個方案中，由于高密度SERS活性點，在納米通道的進口金屬納米顆粒被包裹。通過一個相似的概念，Park等人探測到Cy3標記的登革熱病毒的DNA序列標志。既然這樣，在入口使用聚二甲基硅氧烷彈性崩潰制成小到60nm納米流體通道。劉等人利用一個帶有微流體通道的納米多孔聚合物整體在三維基質上捕獲和集中銀納米顆粒。該設計創造了三維SERS活性基質，因而去除了被分析物分析擴散到表面的需求。

活躍的微流體技術已經被用于光流體SERS技術中來集中納米顆粒或被分析物分子（或兩者）優于SERS檢測。Huh等人利用微流體腔室內的電動力吸引金屬納米顆粒將目標納米顆粒的結合物集中在SERS檢測體積中。電動力也可以被用來集中被分析物到SERS活性表面。Cho等人在SERS活性表面頂部創建了微流體通道，在通道的頂部組裝了一個電極。在電極和金屬納米結構的表面之間施加的電勢，驅使被分析物分子到SERS活性表面，因而集中樣品體積中所有的被分析物到監測區域，再次避免了依賴SERS活性表面與被分析物的相互作用擴散的需求。開發這種微流體技術提供的巨大增強，Cho等人在集中度為lOfM時檢測了腺嘌呤。

另一個蘊含巨大潛力增加SERS性能的光流體方法是利用SERS激勵的光流體諧振腔在微米或納米流體環境中。光共振器頂部的高強度場能夠作為SERS的高能量激勵源。盡管只有很少的報道利用光共振器作為SERS激勵源，這種光流體設計概念仍有大量未被探索。此外，建立在一些發展中的光流體，上面提到過的光流體諧振器方法與微納米流體集中方法的集成具有巨大潛力，這可以共同提供特殊的SERS性能。

除了增強檢測能力，光流體還允許知道現在還不可能的SERS的特殊應用。例如，之前描述過的建立在PDMS上的納米通道，CHoi等人已經證實的選擇性地檢測蛋白質聚集物，這在許多疾病檢測中極為重要，包括阿爾茨海默氏。在納米顆粒在納米通道入口形成集中網之后，聚合的蛋白質在監測區域被捕獲并且產生SERS信號，而單體蛋白質遷移通過監測區域沒有被檢測。最近被Lee等人報道另一個光流體SERS應用是將基于SERS的柱上檢測器與金屬離子層離法的分離結合。覆蓋了羧化的金納米顆粒的圓柱的內表面不僅由于金屬離子選擇吸收特性作為分離介質，而且作為SERS活性表面。這去除了如質譜的分離后檢測裝置的需要。SERS的應用期望將會繼續從光流體的新進展中出現，包括引進光學諧振微流體結構，SERS結合水滴微流體和納米尺寸粒子的光捕獲。