本文简述了表面增强拉曼（SERS）的微量痕量检测原理以及微流控芯片用于生物分析的优势。将SERS与微流控芯片结合，可以实现灵敏、高效及快速检测。基于微流控SERS芯片，本文综述了微流控SERS基底的发展过程以及其在POCT中的应用，最后给出了作者的个人观点。

拉曼光谱（Raman）具有高度灵敏，快速，高效和无损成像的优势，可以为每个分子提供独特的“指纹”信息，是一个在研究物质成分中十分热门的检测方法。1974年，Fleischmann发现在拉曼散射中，粗糙的金属表面可以将拉曼散射放大到103至104倍，于是将这种现象称为表面增强拉曼散射（SERS）效应。SERS的发现对拉曼光谱学的发展产生了深远的影响。后经研究发现，在SERS活性基底中，由局部表面等离振子共振（LSPR）引起的强烈局部场增强区域称为“热点”，而“热点”的出现会极大增强SERS信号，使得高灵敏痕量检测成为可能。同时，微流体芯片，也被称为“芯片实验室”（LoC），具有样品消耗低，反应时间短，检测效率高和便携性的优点，是生化检测的理想平台。SERS与LoC结合成为微流体SERS芯片（SERS-LoC）可以实现便携式传感检测，其基本原理是将SERS活性基底通过物理或化学等方法集成到微流控平台中，以实现微通道中的物质检测。由于LoC芯片的体积较小，研究人员在SERS基底集成方面进行了大量探索，使其能够在POCT场景中完成便携式的高灵敏无损检测。

本文系统地综述了微流控SERS基底的发展过程(液态基底-固态基底-原位生长基底)。并归纳了微流控SERS芯片在医疗诊断、环境监测和食品安全中的POCT应用，最后强调了作者对未来微流控SERS的展望和个人观点。

图1 具有集成竞争性位移的微流体SERRS系统，用于DNA序列检测，其中用DNA探针来修饰二氧化硅微球[1]。

Yazdi S H等人在集成的微流控芯片中设计了一种基于表面增强共振拉曼光谱（SERRS），利用竞争置换方案实现对DNA序列的多重检测。该平台由单个微通道芯片演变而来。检测时将分析物和胶体纳米颗粒在芯片外混合，然后通过同一端口注入系统。实验中使用置换方案，由拉曼标记的探针分子序列被靶DNA序列置换，从而可以通过单步步骤检测未能够被标记的靶DNA序列。实验结果表明，可检测到的目标DNA序列低至100 pM，并且实验具有特异性，可重复性和定量性。

图 2 通过全飞秒激光加工制造3D微流控SERS芯片的过程[2]。

Shi 等人提出了一种新颖的全飞秒激光加工技术，用于在3D玻璃微流体通道内原位制造2D周期性金属纳米结构，并将其与SERS结合使用，从而可以实现超高灵敏度实时检测有毒物质。在这项研究中，飞秒激光直接烧蚀后可在微流体结构内部空间选择性地原位生长Cu-Ag层状膜。随后用线偏振光束照射使Cu-Ag膜形成周期性的表面纳米结构。实验结果表明，所获得的3D微流控芯片能够实时在结晶紫存在的情况下，检测Cd²⁺离子的浓度低至10 ppb。

图3. 用于检测工业废水的微流控SERS芯片[3] 。

Shi 等人首次展示了微流控SERS芯片用于同时定量检测工业废水中的Pb²⁺和Hg²⁺。该芯片基于可复制的硅纳米杂化基板的组合，并且能够与现场检测的手持式拉曼仪结合。结果表明，该SERS设备对Pb²⁺的动态检测范围可达到100 pM~10μM，对于Hg²⁺可以达到1 nM~10μM，对Pb²⁺的检测限低至19.8 ppt，Hg²⁺的检测限低至168 ppt。

目前在制备微流控SERS基底中仍然存在的挑战是：难以实现微流控芯片中SERS基底的高有序度和高增强因子，限制了SERS微流控系统的可重复性。通过微机电系统（MEMS）制造技术制造的固态基板具有良好的顺序和均匀性，但是需要昂贵的设备和繁琐的制备过程。电子束光刻（EBL）和聚焦离子束（FIB）可以精确控制固体衬底的尺寸和外观，但由于设备非常昂贵，难以进行大规模生产用于商业。通过化学还原制备具有设备简单和成本低的优点，但是可控性和顺序差。采用电化学沉积法制备的SERS衬底具有高阶，可控性好，操作方便等优点，但是它需要对纳米结构的组成，形态和间距的调节进行进一步研究。

目前，飞秒激光直接写入技术已被证明是制造光敏聚合物微纳米结构的有力方法，为了提高微流体SERS系统的灵敏度，该方法仍需要在简便的操作和精确的控制方面进行更深入的研究。此外，随着拉曼技术的深入研究，SERS基底表现出对目标信号选择性较弱的缺点，导致SERS应用范围有限。例如，当使用微流体SERS芯片检测食物样品时，食物基质的复杂性可能会干扰拉曼信号光谱图，因为某些食物残渣具有与目标分析物相似的化学和物理性质。而用特异性抗体来修饰SERS基底有望克服该问题。此外，目前由纳米粒子复合而成的SERS基底难以回收和再利用，这使得许多便携式微流体SERS装置非常昂贵。因此，如何扩展SERS基底的种类以其多功能性，尽可能降低制作成本并简化SERS芯片结构已成为未来的挑战。

参考文献

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