文丨编辑 青史风云录

微流控SERS是一种结合微流体技术和表面增强拉曼光谱分析的方法。

通过调整金膜的尺寸、形态和结构等参数，可实现表面等离子体共振（SPR）效应，从而引起界面电场加强效应和局域电磁场增强效应。

这种增强效应能够显著提高拉曼信号强度，使得对微量分析物的检测变得更加灵敏和快速。

同时，优化金膜特性如厚度、孔洞结构以及化学修饰，则可以进一步提升拉曼信号的增强效果，并实现对特定分子的高灵敏度检测。

表面增强拉曼散射（SERS）本身具有丰富的结构信息，但其增强效果主要源于纳米结构表面上局部等离子体共振（LSPRs）的激发。

这使得光线优先集中在等离子体纳米材料的间隙和尖锐特征处，从而导致分子在金属纳米结构表面附近经历局部场增强，并由于拉曼散射光子与表面等离子激元之间的耦合而经历再辐射增强。

再加上该技术的高灵敏度、选择性和便携性，已有提议将表面增强拉曼散射（SERS）应用于检测多种目标化合物，包括环境污染物，其中之一是农药噻苯达唑。

它是一种系统杀菌剂，可用于预防各种真菌引起的蔬菜和水果霉变、腐烂、斑点等多种疾病或保护水果免受损害。SERS所获得的高增强因子以及与化学和结构信息相关的独特振动指纹信号使其成为理想的检测方法。

虽然传统检测方法如高效液相色谱法、毛细管电泳法或离子交换色谱法也可以检测到其存在，但这些方法存在设备昂贵、需要训练有素操作人员、低浓度下检测时间长以及使用非环保试剂和有机溶剂等局限性，因此迫切需要实施更快速、更高效且易于操作的方法来解决这些问题。

为了实现可再现的痕量分析，表面增强拉曼光谱（SERS）需要提供高度稳定、均匀和可再现的基底，并通过简单廉价方法进行优选制造。

金属胶体是SERS基底中最常见的一种，虽然易于生产且成本低廉，但其不稳定性和缺乏信号再现性等缺点需要引起注意。在某些情况下，为防止聚集而使用稳定剂可能会对感兴趣分子检测造成干扰并导致热点形成。

优化表面增强拉曼散射（SERS）效率的方法之一是通过控制局部场热点数量并发展稳定的热点技术，可以利用微量吸管、浸泡、自组装或Langmuir-Blodgett等技术在固体表面上沉积纳米结构，同时采用先进的制造方法如电子束光刻能够产生高度均匀且可复制的衬底。

在各种纳米制造技术中，基于胶体的模板法或平版印刷术已成为重要方法可以生产大面积周期性纳米结构，并提供中等至高的SERS增强效果。

相比其他方法，它们具有便宜、简单等优点，其中一种掩膜是由不同直径的自组织聚苯乙烯纳米球/微球和金属涂层制成。

这些基于纳米球上金属膜(MFoN)的基底在各种应用场景下都非常有用和可靠，特别是在生物传感领域，因为它们提供了高SERS信号再现性和简单的制造工艺。

MFoN还被广泛应用于检测食品饮料中合成染料、具有生物医学重要性分子如葡萄糖、过敏原以及环境污染物等方面。

此外，还提出了多种增加MFoN表面粗糙度和增加热点数量的方法，有研究表明通过控制纳米颗粒之间孔隙和间隙尺寸，在大表面积和丰富热点作用下与常规MFoN基底相比可以获得超过35倍SERS增强效果。

另一种增强性能的方法则是利用微波合成银纳米粒子/SERS基底来实现对三聚氰胺等化学物质进行极低浓度检测。

对于某些SERS应用，纳米结构基底需要浸入水/水性环境中或与其接触，其中就包括两种微流控SERS和电化学辅助SERS（EC-SERS）。

在微流控SERS中，将SERS基底与微流控芯片集成可以实现对被分析样品的受控引入，从而显著提高了实验条件的可控性。

这种集成技术不仅能够改善SERS灵敏度、再现性和检测限等方面的表现，还有可能克服SERS技术固有缺点，并弥补集成SERS芯片实验室设备不足之处。

因此，在EC-SERS实验中，微流控SERS已经成为一种强大且广泛接受的通用工具，其典型应用是测量化学或物理吸附在纳米结构电极表面的分子拉曼/SERS光谱。

电化学SERS已成为一种有效的表面分析技术，可用于原位分析电极表面的吸附行为和化学变化。

该技术已被广泛应用于理解液体-固体界面的化学/物理过程，可以检测环境水中农药或其他污染物，开发任何基于SERS检测应用的关键步骤是优化SERS基底增强效率。

在等离子体中，环境的折射率对金属纳米结构的光学/等离子体响应产生强烈影响，同时，等离子共振和SERS效率之间存在直接相关性。

因此，在开发溶液中分析物的检测方案时，需要在相同的溶剂环境中分析和优化SERS底物的效率，尽管这一结论似乎显而易见，缺乏关于水中等离子体激元诱导光学响应以及具有复杂光学响应结构与相同溶剂下SERS效率相关性的研究。

通过对空气和水中AuFoN的SERS信号与球体直径之间的依赖关系进行研究，并将其与这些介质中的光学响应相关联，进行了FDTD模拟以更好地理解光学响应、表面等离子体激元诱导的电场增强以及AuFoN膜在不同环境下的SERS增强效果。

在空气和水环境中，通过等离子体激元诱导的光学响应与AuFoN的SERS效率之间建立了相关性模拟。

该模拟描述了AuFoN的SERS效率如何随着尺寸和环境变化，并证明了AuFoN结构在传感应用微流体器件中具有强大优势，为EC-SERS技术发展迈出重要一步。

实验方法

将1毫米厚的聚苯乙烯(PS)板作为基底，经过乙醇和异丙醇洗涤并在氮气流中干燥后，通过UV-臭氧处理20分钟以使其表面亲水化。

然后将其固定在计算机控制的平移台上，并使用对流自组装(CSA)方法在PS板上获得胶体纳米球阵列。

在PS纳米球阵列顶部进行磁控溅射沉积120nm厚的金膜，使用基础压力为10的真空室和约2.5纳米/分钟的沉积速率，在27mm距离处保持基底于室温状态下旋转10rpm。

并使用460 nm PS纳米球阵列制造用于EC-SERS测量的SERS电极，采用模板方法将具有预切割电极形状的粘合箔固定在纳米球阵列上，并去除金属膜沉积后留下形状像电极的AuFoN表面。

欧共体SERS测量

为了建立电化学SERS分析所需的三电极系统，使用了两个外部电极:Ag/AgCl无泄漏电极作为参比电极，Pt/Ti丝作为辅助电极。

将约150 l体积的0.1 mM噻苯达唑在0.05 M PBS/0.1 M KCl中的溶液(pH 7)滴在工作电极的表面上，将另外两个电极固定在支持物上，确保所有三个电极都与溶液接触。

将三电极池置于配有785 nm激发激光的显微拉曼系统下，所有电极同时连接到便携式Sensit智能恒电位仪。

光谱在20倍物镜下记录，激光功率为5.18毫瓦，积分时间为30秒，在SERS测量期间，电极表面以0.1 V的增量在0至1 V(相对于Ag/AgCl)范围内极化。

微流控SERS

微流体盒采用具有固定化AuFoN的PS底层、压敏粘合剂中间层和1.2 mm厚的光学质量聚(甲基丙烯酸甲酯)顶层进行组装。

2D设计是在AutoCAD 2022中完成的，使用刀具在PSA (86 m厚)中制造出1 mm宽的微通道，利用微研磨技术制备PMMA入口和出口，以适应其间的拉曼探针，并手动对齐这些层，随后通过挤压进行层叠，确保从底部PS层开始实现防漏密封。

用FDTD模拟法设计AuFoN

基于不同尺寸的聚苯乙烯球在空气和水环境中，对AuFoN进行模拟反射(R)光谱分析，由于金纳米粒子表面等离子体吸收作为广泛最小值被观测到，随着颗粒直径增加而发生红移，针对本研究所使用的金膜厚度，这些结构的透过率可以忽略不计。

通过模拟反射光谱分析不同尺寸的聚苯乙烯球对AuFoN进行了研究，由于金纳米粒子表面等离子体吸收作为广泛最小值被观测到，颗粒直径增加而发生红移针对金膜厚度。

在CSA技术方法中，衬底以期望的速度相对于固定刀片移动，其中包括弯月面(空气-衬底-悬浮液三重接触线)沿着衬底平移。

由于水的蒸发和颗粒从悬浮液向弯月面流动，纳米球膜因此沉积在基底上，胶体膜生长的速率受到基底平移速度的控制，通过调节平移速度和悬浮液中颗粒的浓度来控制胶体晶体膜的厚度和层数。

调节SERS在水中的效率

为了全面揭示奥芬SERS衬底的特征，可以利用光学显微镜和振动光谱技术，详细研究表面等离子体激元带的形貌以及其对纳米球直径和环境的依赖性，评估所制备的SERS基底的增强效果，与金具有高亲和力的小分子进行测试。

p-ATP是一种具有–SH封端的分子，表现出高度金亲和力，能够与金属纳米结构共价结合，在金属表面形成自组装单层。

由于其独特的SERS光谱特性，可以用来分析AuFoN基底的SERS性能，通过使用p-ATP作为拉曼报告分子，在空气和水中浸入膜的基底上进行了SERS效率分析。

AuFoN作为等离子体电极用于电化学SERS分析

在电化学辅助的表面增强拉曼散射（SERS）中，SERS增强效应明显受施加电势的影响，并且分子对极化呈现不同的响应，这是因为它们具有不同的电子构型。

通过外部参比电极和辅助电极进行测量得到的苯并咪唑类荧光染料（TBZ）依赖于电位变化而产生的SERS谱。

SERS与奥丰在微流体领域

在微流体通道中，奥丰SERS组装方法是基于微流体层的直接原型制作、切割和层压的整合。

这种方法已成为制造电化学微流体装置的成熟策略，因其具有低成本、通用性、可扩展性以及与不同电极和基底材料兼容性等特点。

随着时间推移和在测量位点感兴趣的TBZ分子积累，获得的SERS光谱显示出了TBZ特征性SERS谱带的强度增加，通过沉积AuFoN膜于塑料基底上，成功应用于水环境中，并观察到了依赖于电势的EC-SERS光谱，从而可以进一步寻找最佳EC条件以最大限度地提高用于传感应用的SERS读数。