用于无标记生物分子痕量检测的新型液面辅助SERS微流控技术

表面增强拉曼散射/光谱（SERS）自1974年发现以来，因其强大的痕量检测能力，已被证实在环境监测、食品安全、生物医疗，国防安全等诸多领域内具有潜在应用价值。特别是近十年，SERS技术已经向单分子检测领域迈进，成为目前检测本领最为强大的技术之一。

SERS的增强机制主要是基于贵金属纳米材料的近场效应所形成：外界光对小于光波长的金属纳米结构激发时，电子将发生集体震荡而形成局域表面等离子共振现象，因而金属表面的局域电场被增强并对拉曼散射光进行放大。目前，SERS技术因其无损、高灵敏、低毒和生物相容性等优势，倍受生物医学相关研究领域的关注，有望未来在生物细胞/组织成像、癌症治疗、靶向药研发、细胞活动分析、精准外科手术等方面大展身手。

此外，SERS和微流控技术相结合，可以实时动态对微流道内的细胞（器）进行观察、鉴定和分析，以及微流内痕量物质的高准确度鉴别，多组分分析等，是双/多技术协作下，“双赢”策略的代表性新技术。

日本理化学研究所的Koji Sugioka教授所带领的团队展示了一种新型液面辅助SERS（LI-SERS）微流控技术，用于无标记生物分子的痕量检测，并成功实现了近单分子水平的脱氧核糖核酸链（DNA）的快速区分和鉴定。该工作以“Label-free trace detection of bio-molecules by liquid-interface assisted surface-enhanced Raman scattering using a microfluidic chip”为题发表在Opto-Electronic Advances期刊。

LI-SERS微流控芯片的制备采用了飞秒激光辅助化学法进行玻璃微流道制备的方案（图2a）。同时将飞秒激光诱导的金属三维周期结构（LIPSS）加工到玻璃微流道底部作为SERS基底（图2b）。玻璃微流道底部通过飞秒激光选区金属化的方式形成150mm x 150mm银金属薄膜。

通过线偏振飞秒激光二次正交方式扫描刻蚀银薄膜，在其表面形成周期为140nm，沟壑宽40nm的二维结构。在金属沟壑内的被检测分子的拉曼信号将会受到耦合局域增强电场（“热点”）的激发，产生10⁶数量级以上的放大。

图1 微流控SERS芯片激光制造系统原理图

图2（a）复合飞秒激光加工制备玻璃微流道芯片；（b）微流道底部银衬底上形成的飞秒激光诱导周期性结构用于SERS检测

为了进一步提高增强倍数，文章中介绍一种名为LI-SERS的新型检测方法，以实现10¹⁴数量级拉曼信号放大。如图3所示，在微流道内部，当拉曼激发光恰好被聚焦在被探测分子溶液的空气-液体界面时，可获得近单分子水平的拉曼信号，实现单分子水平检测本领。

LI-SERS方法所获得的拉曼增强倍数比传统SERS技术高5-6个数量级。受益于LI-SERS的单分子水平的检测本领，即使是低拉曼散射截面的分子（如生物分子），在无标记情况下亦可获得极强的拉曼信号。如图3b中展示的是采用LI-SERS方法对10fM浓度、不同碱基构成的两种DNA分子链的拉曼测试结果。

通过对比拉曼峰位置和强度即可快速实现低浓度下核酸物质的鉴别。该测试方法可为未来新一代单分子核酸序列读取技术提供新的思路。

图3（a)液面辅助表面增强拉曼散射示意图；（b）两种由不同碱基构成的脱氧核糖核酸链（DNA，10fM）拉曼光谱图

论文链接：

http://doi.org/10.29026/oea.2022.210121

审核编辑：刘清