1. 导读
环境与食品中的病原菌种类繁多，且变异速度快，感染能力强，所引发的疾病严重危害人类的生命健康。对病原菌的早期快速准确检测是监测、防控疫病的重要前提，对保护人类健康具有重要意义。表面增强拉曼散射（Surface-enhanced
Raman Scattering, SERS）技术因其具有的采集简单、无损、无需复杂前处理等优点使其在病原菌快速分析检测研究中展现出巨大的潜力，可以在单分子水平上表征细菌的分子结构，并实现快速无标记检测。配合便携式拉曼光谱仪可轻易实现原位实时场景下病原菌检测，在临床诊断、生物安全、公共卫生等领域具有广泛的研究价值和应用前景。然而，在实际应用中，SERS基底仍存在散射响应弱、光谱均匀性不高等问题，限制拉曼光谱技术在生物检测领域的进一步应用。针对以上问题，中科院长春光机所谭鑫研究员团队在Nanophotonics发表最新文章，提出了一种新型三维复合SERS基底：利用金字塔凹坑硅（PPSi）阵列作为衬底提供更大附着面积、更稳定的固体支持物，可以实现对阵列结构尺寸、分布进行调控，从而保证衬底均匀性。然后利用自组装手段将金核银壳纳米球组装成致密、高均一性的单层金属膜，并转移构筑在PPSi衬底上得到三维复合 SERS 基底，获得均匀性好、形貌可调谐、灵敏度高的 SERS 基底。团队在理论模型分析和数值仿真模拟基础上，利用拉曼报告分子对基底增强性能及光谱均匀性进行了评价实验。此外，利用SERS基底对金黄色葡萄球菌生物样本进行了生物相容性测试，这也充分证明了该三维复合SERS基底的有效性。该研究成果一方面可以为多维复合型SERS基底的设计方法提供新思路，另一方面对痕量物质检测、生物检测传感器等研究具有一定的参考意义，进而在生化传感、生命科学等领域发挥重要作用。2. 研究背景
随着社会的发展，人们的生活水平不断改善，随之对于包括疾病诊断、食品安全、环境污染等方面的高效检测技术提出了新的需求。例如，对病原菌的早期快速准确检测是监测、防控疫病的重要前提，对保护人类健康具有重要意义。然而传统的病原菌检测方法如分离培养鉴定技术、免疫诊断技术及分子生物学诊断技术等存在检测成本高，耗时长等缺点，已经无法满足病原菌现场、快速检测的需求。因此，开发高灵敏度、快速、无标记、通用性强的致病菌现场检测方法是迫切的，这将对临床诊断、食品安全、公共卫生等领域具有重要意义。作为一种非侵入性、无标签的光学技术，拉曼光谱技术对于研究生物大分子的结构与性能以及细胞分子结构实时变化的信息等都具有显著优势。但拉曼光谱存在散射响应弱、信号强度低等问题，将影响后续光谱分析精度。为有效解决实际问题，研究人员借助SERS基底将常规拉曼信号提高若干个数量级，大幅提高信噪比。SERS技术主要依赖等离子体纳米结构所提供的电磁“热点”来增强微弱的拉曼散射信号，所以高性能SERS基底的制备在病原菌检测应用中至关重要，如何有效提高SERS信号的灵敏度和均匀性也是当前重要的研究课题。3. 创新研究
针对上述挑战，研究团队从三维固态SERS基底出发，提出了一种优化的基底结构，实现了基于金字塔凹坑硅阵列结合金核银壳纳米球的三维复合SERS基底用于病原菌SERS检测。首先，研究团队利用紫外曝光技术引导单晶硅各向异性湿法刻蚀，制备规则排布、周期可控的金字塔凹坑硅阵列（PPSi）作为衬底，可以在三维空间提供更大附着面积和散射截面的同时实现对阵列结构尺寸、分布进行调控，从而保证衬底均匀性（见图1）。此外，在PPSi内部能够使入射激光产生有效的振荡，作为入射光的放大器，引入较大的等离激元共振的电场强度。利用扫描电子显微镜对阵列结构尺寸进行表征，标准偏差最小可达0.078%，具有良好的均匀性和一致性。![]()
图1 金字塔凹坑硅阵列SEM表征及尺寸分布
随后，研究团队通过种子生长及氧化刻蚀方法制备金核银壳结构纳米球(图2)，因其耦合金、银两种金属的特性而产生更优异的性能；经过界面自组装手段将纳米球组装成致密、高均一性的单层金属膜，并转移构筑在PPSi衬底上得到基于金核银壳纳米球结合PPSi的三维复合SERS 基底（图3）。![]()
图2 金核银壳纳米颗粒SEM、TEM、EDS表征
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图3 Au@
AgNSs@/PPSi三维复合SERS基底SEM表征
为了验证所设计制备的三维复合SERS基底的增强性能及光谱响应均匀性，团队开展了三维复合SERS基底性能测试研究。利用制备得到的三维复合SERS基底对标准拉曼报告分子结晶紫（CV）及罗丹明6G（R6G）溶液进行SERS检测，其对CV的检测限为0.1ppb，对R6G的检测限低至10-9mol/L，拉曼增强因子为4.2×108（图4）。利用随机采点法和拉曼mapping分别在宏观尺度和微观尺度下表征三维复合基底的光谱信号均匀性，其相对标准偏差分别为5.26%、8.26%（图5）。![]()
图4 不同浓度R6G
SERS光谱及浓度拟合
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图5 Au@ AgNSs@/PPSi三维复合SERS基底光谱均匀性测试
团队进一步将制备的SERS基底应用于金黄色葡萄球菌的SERS检测，实验结果显示，该三维复合SERS基底能够获得病原菌的特征光谱，实现病原菌的快速检测。在104- 107CFU/ml浓度梯度范围，特征峰强度与病原菌浓度具有良好的线性关系，拟合精度超过99%（如图6），充分验证了该基底对病原菌生物样本SERS检测的可行性。![]()
图6 金黄色葡萄球菌SERS光谱及含量拟合
4. 应用与展望
研究团队提出了一种基于金字塔凹坑硅阵列结合金核银壳纳米球的三维复合SERS基底用于病原菌检测，附着在PPSi上的核壳纳米颗粒对金色葡萄球菌拉曼信号有显著增强，可以实现病原菌快速定量检测。该三维复合SERS基底具有表现出增强性能好、均一性好、灵敏度高的特点。这种新型SERS基底可以为微生物的快速原位检测提供有效平台，也对由细菌、病毒等微生物感染引起的疾病的诊断及治疗具有积极的意义，有广阔的应用前景。该研究成果以“Three-dimensional composite substrate based on
pyramidal pitted silicon array adhered Au@Ag nanospheres for high-performance surface-enhanced
Raman scattering”为题在线发表在Nanophotonics。本文作者分别是Wei
Zhang, Siqi Liu, Sijia Jiang, Jiahang Zhang, Hongtao Ma, Liang Xu, Mingyu Yang,
Ding Ma, Qingbin Jiao and Xin Tan。Qingbin Jiao为通讯作者。谭鑫研究员团队隶属于中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心。
