拉曼Sers芯片原理和應用

SERS是一種表面敏感的光譜技術，通過將待測分子吸附在粗糙的納米金屬表面，使其拉曼信號增強 10?-101?倍，突破傳統拉曼靈敏度低的局限。

一、SERS技術原理與核心優勢

1.       增強機制

·       電磁場增強：貴金屬納米結構（金/銀/銅）表面產生局域等離激元共振，使入射激光電場強度提升10?–10?倍，拉曼信號增強達10?–101?倍

·       化學增強：分子與基底間電荷轉移效應，進一步放大信號（約10–100倍）

2.       技術突破性

·       實現單分子級檢測，靈敏度遠超傳統拉曼

·       支持無損、免標記分析，適用于復雜基質樣品（如生物體液、環境污染物）

3.SERS活性基底

常用材料：銀、金、銅納米結構，形態包括溶膠粒子、納米棒、核殼結構等

設計核心：通過調控納米結構的尺寸、形貌和排列方式優化電磁場"熱點"密度

二、核心應用領域與典型案例

1. 環境監測

·       水體污染檢測：痕量重金屬（鉛/汞）檢測限達ppb級，通過功能化探針實現特異性識別

·       農藥殘留分析：田間快速篩查果蔬中有機磷農藥，檢測時間＜5分鐘。

2. 生物醫學

·       疾病標志物檢測：癌癥早期診斷中檢測血清中pg/mL級miRNA。

·       藥物代謝研究：原位追蹤細胞內的藥物分布及代謝路徑。

3. 工業質檢

·       食品安全：非法添加劑的現場篩查，誤判率＜0.5%。

·       材料分析：納米材料表面修飾分子構象解析。

三、技術進展與創新方向（2023–2025）

1.       基底材料革新

·       半導體/介電基底：氧化鋅、二氧化鈦等材料突破貴金屬限制，提升化學穩定性及生物相容性

·       磁性復合基底：Fe?O?@Au核殼結構實現目標分子富集與SERS檢測一體化。

2.       信號均一性優化

·       周期性納米陣列：電子束光刻技術制備均一熱點，信號相對標準偏差（RSD）＜5%

·       殼層隔絕納米粒子（SHINERS）：超薄惰性殼層（SiO?/Al?O?）隔絕環境干擾，拓展至電化學、催化反應原位監測[[1]

3.       設備集成與智能化

·       便攜式SERS芯片：微流控-SERS聯用裝置實現現場水質重金屬檢測

·       AI輔助光譜解析：深度學習算法自動識別重疊峰，準確率＞90%

四、關鍵挑戰與未來展望

1.       可重復性瓶頸

·       基底熱點的空間異質性導致信號波動（當前*優RSD≈15%）

·       解決路徑：開發自校準基底（內置內標分子）+ AI實時校正算法

2.       產業化應用拓展

·       柔性可穿戴傳感器：植入服裝/皮膚監測生理指標

·       太空探索：火星土壤成分原位分析（NASA 2030計劃）

3.       綠色可持續技術

·       生物合成納米銀（微生物還原法），降低制備成本與環境污染

五、SERS基底技術演進對比