SERS集成光波导技术——推动面向痕量液体分析的便携式与超灵敏检测发展

　　近期，中国科学院长春光机所在Light: Science&Applications上发表了题为“Emerging frontiers in SERS-integrated optical waveguides: advancing portable and ultra-sensitive detection for trace liquid analysis”的综述文章。本文第一作者为高丹恒副研究员，通讯作者由洛猛、孟浩然共同担任。该研究系统梳理了SERS与光波导集成技术的发展脉络，深入探讨了波导结构设计、传感界面优化、新兴技术融合等关键方向，重点分析了远程传感探针与微流控传感平台两大技术路径，为下一代超灵敏检测技术的研发提供了全面参考。研究不仅总结了该领域的技术突破与应用成果，还指出了规模化制备、特异性优化等未来挑战，为超灵敏痕量液体检测技术的发展提供了重要学术参考，有望推动生物医药、环境监测等领域的检测技术革新。
 

光流控波导内集成SERS传感概念图
 

　　SERS-光波导融合：突破传统检测瓶颈
 

　　传统SERS技术依赖贵金属纳米结构的局域表面等离子体共振(LSPR)效应增强拉曼信号，但其检测性能受限于激发与收集效率不匹配、样品处理复杂等问题。光波导凭借机械柔性、抗电磁干扰、光场约束能力强等优势，与SERS技术形成完美互补，通过波导介导的光-物质相互作用，实现了analyte高效激发与散射信号强化收集的双重提升。
 

　　光波导与SERS的集成主要通过两种核心路径实现：
 

　　远程传感探针：在光纤端面功能化修饰SERS基底，包括银/金纳米颗粒、纳米腔阵列等结构，利用光纤的远程传输能力实现原位、无损检测，适用于生物体内外样品分析等场景。
 

　　微流控传感平台：利用光子晶体光纤(PCF)、中空反谐振光纤(HcARF)等微结构光波导的内部多孔特性，构建集成微流道的SERS检测系统，实现纳升甚至飞升量级样品的连续流分析。
 

　　如下图所示，这种融合技术显著突破了传统检测的局限：通过倏逝场耦合增强光与样品的相互作用，检测灵敏度较传统SERS提升1-3个数量级；简化了光路校准流程，设备体积大幅缩小，为便携式检测奠定基础；样品消耗量降至微升以下，尤其适用于珍稀生物样品分析。例如，基于悬浮芯光纤(SCF)的SERS传感器对罗丹明6G(R6G)的检测限可达10⁻¹⁴ mol/L，增强因子高达1.3×10⁹。
 

　　基于微结构悬浮芯光纤(M-SCF)的腺嘌呤表面增强拉曼散射(SERS)检测装置a.光纤内微流控SERS检测装置示意图；b. DNA与GO/PDDA/Ag SERS基底的反应示意图；c.微流控光纤内DNA中腺嘌呤的拉曼位移光谱
 

　　技术创新路径：从结构设计到性能优化
 

　　SERS-光波导集成技术的发展始终围绕结构创新与性能提升展开，形成了多维度、多层次的技术体系。
 

　　早期光纤端面修饰SERS基底的方案虽实现了远程检测，但存在传感面积小、信号稳定性不足等问题。研究团队通过结构优化持续突破：
 

　　倾斜端面与纳米结构复合：将光纤端面加工为40°倾斜角并修饰Ag/Al₂O₃纳米结构，实现95米远程检测，显著提升plasmonic耦合效率。
 

　　特殊形貌光纤设计：锥形光纤探针通过缩小端面尺寸实现局域化检测，空间分辨率达亚微米级；D型光纤通过侧面抛光暴露纤芯，使SERS活性面积扩大1.6×10³倍，信号增强三个数量级。
 

　　复合基底构建：金纳米腔阵列与银纳米颗粒复合结构通过多重反射陷光与LSPR协同作用，对乙酰氨基酚的检测限低至0.1 pg，满足药物分析需求。
 

　　微结构光波导的出现推动SERS检测向微流控集成方向发展，实现了痕量样品的自动化分析：
 

　　光子晶体光纤(PCF)：通过中空纤芯内壁修饰SERS基底，利用带隙效应约束光场，延长光-物质相互作用长度，对R6G的检测限可达10⁻¹⁰ mol/L。
 

　　中空反谐振光纤(HcARF)：将光场限制在空气通道中，减少光纤材料背景干扰，结合Ag/ZnO纳米复合材料修饰，实现外泌体单分子检测，增强因子超10⁹。
 

　　悬浮芯光纤(SCF)：纤芯悬浮于空气孔中形成强倏逝场，通过微流道设计实现样品与SERS基底的充分接触，成功应用于脑脊液葡萄糖、DNA腺嘌呤等生物分子的超灵敏检测，检测时间仅需25-30秒。
 

　　新兴技术赋能：迈向实用化检测新高度
 

　　为进一步提升检测性能、推动技术落地，研究团队将飞秒激光加工、腔增强技术、人工智能等新兴手段与SERS-光波导集成技术深度融合，解决了传统方法面临的结构制备、信号解析等难题。
 

　　飞秒激光直写：实现SERS基底的高精度、大面积制备，通过激光诱导周期性表面结构(LIPSS)结合银纳米颗粒沉积，构建超疏水/亲水复合平台，对结晶紫的检测限低至1.22×10⁻¹⁵ mol/L。
 

　　多材料复合修饰：将石墨烯、MXenes等二维材料与贵金属纳米颗粒复合，既抑制纳米颗粒团聚，又通过电荷转移效应增强拉曼信号，提升检测稳定性。
 

　　腔增强技术：通过光子晶体微腔、法布里-珀罗(FP)腔等结构实现光场多重反射，进一步强化LSPR效应，使信号增强因子再提升一个数量级。
 

　　如下图所示，人工智能辅助分析：利用卷积神经网络(CNN)、主成分分析(PCA)等算法处理复杂拉曼光谱，有效排除背景干扰，实现多组分混合样品的精准识别。例如，基于机器学习的SERS系统成功实现SARS-CoV-2病毒的快速检测，准确率超98%。
 

　　基于致癌 RNA(oncRNA)的液体活检平台及Orion架构。a.基于癌症基因组图谱(TCGA)组织数据集与非癌症对照样本的非小细胞肺癌(NSCLC)致癌RNA(oncRNA)验证图；b. Orion模型架构所需的两个输入计数矩阵示意图；c.三元组边际损失在模拟数据上的应用示意图；d.损失收敛曲线图。
 

　　应用场景与未来展望
 

　　SERS-光波导集成技术已在多个领域展现出巨大应用潜力：在生物医药领域，可实现肿瘤标志物、神经递质、核酸碱基的超灵敏检测，为早期疾病诊断提供支持；在环境监测中，能够快速检测水体中的重金属离子、农药残留等污染物，检测限达纳摩尔级；在食品安全领域，可实现致病菌、添加剂的现场快速筛查。
 

　　尽管技术已取得显著进展，仍面临三大挑战：特殊结构光波导的规模化制备成本较高；复杂基质样品的检测特异性有待提升；长期使用的稳定性与重复性需进一步优化。未来研究将聚焦三大方向：一是低成本、可规模化的SERS基底与光波导集成制备技术开发；二是多模态融合检测系统构建，结合荧光、局域表面等离子体共振(LSPR)等技术提升特异性；三是人工智能与检测系统的深度集成，实现从样品预处理到结果分析的全流程自动化；四是微型化、低功耗便携式设备研发，推动技术在临床床旁检测、现场环境监测等场景的落地应用。