【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院長春光機所在Light: Science&Applications上發表了題為“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。該研究系統梳理了SERS與光波導集成技術的發展脈絡，深入探討了波導結構設計、傳感界面優化、新興技術融合等關鍵方向，重點分析了遠程傳感探針與微流控傳感平臺兩大技術路徑，為下一代超靈敏檢測技術的研發提供了全面參考。研究不僅總結了該領域的技術突破與應用成果，還指出了規模化制備、特異性優化等未來挑戰，為超靈敏痕量液體檢測技術的發展提供了重要學術參考，有望推動生物醫藥、環境監測等領域的檢測技術革新。
光流控波導內集成SERS傳感概念圖
SERS-光波導融合：突破傳統檢測瓶頸
傳統SERS技術依賴貴金屬納米結構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勢，與SERS技術形成完美互補，通過波導介導的光-物質相互作用，實現了analyte高效激發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：
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、納米腔陣列等結構，利用光纖的遠程傳輸能力實現原位、無損檢測，適用于生物體內外樣品分析等場景。
微流控傳感平臺：利用光子晶體光纖(PCF)、中空反諧振光纖(HcARF)等微結構光波導的內部多孔特性，構建集成微流道的SERS檢測系統，實現納升甚至飛升量級樣品的連續流分析。
如下圖所示，這種融合技術顯著突破了傳統檢測的局限：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SERS提升1-3個數量級；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；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?。
基于微結構懸浮芯光纖(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DNA中腺嘌呤的拉曼位移光譜
技術創新路徑：從結構設計到性能優化
SERS-光波導集成技術的發展始終圍繞結構創新與性能提升展開，形成了多維度、多層次的技術體系。
早期光纖端面修飾SERS基底的方案雖實現了遠程檢測，但存在傳感面積小、信號穩定性不足等問題。研究團隊通過結構優化持續突破：
傾斜端面與納米結構復合：將光纖端面加工為40°傾斜角并修飾Ag/Al?O?納米結構，實現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局域化檢測，空間分辨率達亞微米級；D型光纖通過側面拋光暴露纖芯，使SERS活性面積擴大1.6×10³倍，信號增強三個數量級。
復合基底構建：金納米腔陣列與銀納米顆粒復合結構通過多重反射陷光與LSPR協同作用，對乙酰氨基酚的檢測限低至0.1 pg，滿足藥物分析需求。
微結構光波導的出現推動SERS檢測向微流控集成方向發展，實現了痕量樣品的自動化分析：
光子晶體光纖(PCF)：通過中空纖芯內壁修飾SERS基底，利用帶隙效應約束光場，延長光-物質相互作用長度，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，結合Ag/ZnO納米復合材料修飾，實現外泌體單分子檢測，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。
新興技術賦能：邁向實用化檢測新高度
為進一步提升檢測性能、推動技術落地，研究團隊將飛秒激光加工、腔增強技術、人工智能等新興手段與SERS-光波導集成技術深度融合，解決了傳統方法面臨的結構制備、信號解析等難題。
飛秒激光直寫：實現SERS基底的高精度、大面積制備，通過激光誘導周期性表面結構(LIPSS)結合銀納米顆粒沉積，構建超疏水/親水復合平臺，對結晶紫的檢測限低至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，又通過電荷轉移效應增強拉曼信號，提升檢測穩定性。
腔增強技術：通過光子晶體微腔、法布里-珀羅(FP)腔等結構實現光場多重反射，進一步強化LSPR效應，使信號增強因子再提升一個數量級。
如下圖所示，人工智能輔助分析：利用卷積神經網絡(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，實現多組分混合樣品的精準識別。例如，基于機器學習的SERS系統成功實現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。a.基于癌癥基因組圖譜(TCGA)組織數據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模型架構所需的兩個輸入計數矩陣示意圖；c.三元組邊際損失在模擬數據上的應用示意圖；d.損失收斂曲線圖。
應用場景與未來展望
SERS-光波導集成技術已在多個領域展現出巨大應用潛力：在生物醫藥領域，可實現腫瘤標志物、神經遞質、核酸堿基的超靈敏檢測，為早期疾病診斷提供支持；在環境監測中，能夠快速檢測水體中的重金屬離子、農藥殘留等污染物，檢測限達納摩爾級；在食品安全領域，可實現致病菌、添加劑的現場快速篩查。
盡管技術已取得顯著進展，仍面臨三大挑戰：特殊結構光波導的規模化制備成本較高；復雜基質樣品的檢測特異性有待提升；長期使用的穩定性與重復性需進一步優化。未來研究將聚焦三大方向：一是低成本、可規模化的SERS基底與光波導集成制備技術開發；二是多模態融合檢測系統構建，結合熒光、局域表面等離子體共振(LSPR)等技術提升特異性；三是人工智能與檢測系統的深度集成，實現從樣品預處理到結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，推動技術在臨床床旁檢測、現場環境監測等場景的落地應用。
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