受蜂巢结构启发的SERS微阵列，用于自动化检测唾液中脲酶活性

表面增强拉曼散射（SERS）技术，作为一种强有力的分析工具，已在化学和生物医学传感领域获得广泛应用。为了减少检测时间并最大限度地减少人为错误，自动化检测经常被整合到生化分析技术中。但是，目前用于样本检测的SERS基底制备过程既复杂又容易受到人为操作的影响，这限制了SERS技术与自动化检测的深度结合。

尽管唾液脲酶作为幽门螺杆菌的生物标志物具有巨大的应用潜力，但目前采用的检测方法在灵敏度和自动化方面还需改进。通过不断改进检测技术和引入自动化设备，有望提高唾液脲酶检测的准确性和效率，从而为幽门螺杆菌感染的诊断和治疗效果监测提供更优质的服务。

近期，西安电子科技大学的胡波教授课题组受到蜂巢结构的启发，结合了表面增强拉曼散射（SERS）技术和自动化检测技术，创新性地设计并制造了一种用于大规模自动化检测唾液中脲酶活性的SERS微阵列。这种SERS微阵列不仅显著缩短了检测时间，还降低了人为误差，具有在生物医学检测领域广泛应用的前景。

相关研究成果以“Honeycomb-Inspired Surface-Enhanced Raman Scattering Microarray for Large-Area Automated Testing of Urease in Saliva Samples”为题发表在了国际知名传感器期刊《ACS Sensors》上，并且被期刊选为内封面文章。

 

受蜂巢结构的启发，SERS微阵列的设计采用了正六边形微孔密铺结构。相较于其他正多边形，正六边形能够实现最大的空间利用率，使得在相同面积的基底上能够布置更多的检测位点，这无疑为大面积自动化检测提供了极大的便利。此SERS微阵列的制备过程受到了蜂巢的启发，采用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）软光刻技术，并结合表面改性与银纳米星（AgNSs）的吸附，这一系列制备流程既方便又经济。此外，多枝杈的AgNSs在基底表面分布均匀，不仅显著增强了SERS信号，同时也大幅提升了信号的均一性。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列的设计和制备

本研究深入研究了AgNSs的溶剂组成、浓度以及吸附时间等关键参数，旨在优化受蜂巢结构启发的SERS微阵列的性能。通过详细表征SERS微阵列表面AgNSs的吸附状况，并分析在不同参数条件下拉曼报告分子（4-巯基苯甲酸，4-MBA）的SERS信号，成功确定了受蜂巢结构启发的SERS微阵列的最佳制备参数。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列的优化

本研究从分子吸附和热点构建两个角度，对SERS信号的变化进行了深入的理论分析和阐释。随着AgNSs密度的提升，部分待测分子被吸附在底层的AgNSs上，由于这些分子无法被有效检测到，因此会导致SERS信号出现下降。利用时域有限差分法（FDTD）对SERS微阵列表面的局部电场分布进行了仿真模拟。结果表明，过高的AgNSs密度会引发“掩蔽效应”，这种效应会减少SERS的热点数量，进而造成SERS信号的降低。

通过FDTD方法仿真局部电场分布

本研究还全面表征了受蜂巢结构启发的SERS微阵列在均一性、可重复性、增强因子和稳定性等SERS性能方面的表现。与实验室常用的4种SERS基底相比，该SERS微阵列展现出了显著的优越性。其表面吸附的AgNSs分布非常均匀，确保了检测信号的高度一致性，从而在信号均一性方面表现出最佳性能。这一优势使得该SERS微阵列在实际应用中具有更高的可靠性和准确性。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列与其他4种SERS基底的比较

经过重复性、增强性和稳定性实验验证，受蜂巢结构启发的SERS微阵列展现出了卓越的性能。其可重复性极高，通过对9批不同基底上拉曼报告分子的特征峰位信号进行检测，发现相对标准偏差（RSD）值均低于8%。同时，该微阵列的增强因子可达到10⁵数量级。更为重要的是，在室温条件下保存滴有待测样本的SERS微保存两周后，其信号强度仅降低了约18%（主要归因于AgNSs的轻微氧化），这充分证明了该SERS微阵列具有出色的时间稳定性。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列的性能表征

为了深入探索受蜂巢结构启发的SERS微阵列在检测唾液中脲酶活性方面的能力，本研究基于尿素-脲酶催化反应进行了一系列实验。首先，验证了该SERS微阵列具有定量检测脲酶活性的能力，这为其后续应用奠定了坚实基础。接着，采集了志愿者的模拟唾液样本，并利用该微阵列进行了检测。通过计算分析，成功得出了样本中脲酶的浓度，并评估了其回收率。这些实验结果充分证明了受蜂巢结构启发的SERS微阵列在生物医学领域，尤其是检测唾液中脲酶活性方面，具有巨大的应用潜力。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列检测唾液中脲酶活性

本研究进一步整合了受蜂巢结构启发的SERS微阵列、多轴位移平台以及拉曼光谱仪等先进设备，成功构建了一个高效的SERS自动化检测平台，实现了SERS技术与自动化检测技术的完美结合。通过这一平台，仅需一次操作便能迅速自动获取多达100条光谱数据，这不仅显著缩短了检测所需的时间，还有效降低了人工操作可能引入的误差。该平台充分展示了受蜂巢结构启发的SERS微阵列在大面积自动化检测唾液样本中脲酶活性方面的巨大潜力和优势。

受蜂巢结构启发的SERS微阵列的自动化检测  

综上所述，本研究受蜂巢结构的启发，设计了一种具有六边形微孔结构的SERS微阵列，并通过一系列简便且经济的方法成功制备。这种独特的微阵列结构展现出卓越的SERS增强因子、信号均一性以及可重复性，从而显著提高了检测效率和信号稳定性。

为了进一步提升检测效率，将这种受蜂巢结构启发的SERS微阵列融入了自动化SERS检测平台中，成功地将表面增强拉曼散射技术与自动化检测相结合。这一创新性的整合不仅突破了拉曼检测标准化的难题，还实现了对唾液样本中脲酶活性的大面积自动化检测。通过这种方式，不仅大幅缩短了检测周期，还有效减少了人为操作失误，提升了检测的准确性和可靠性。

总的来说，本研究通过设计并制备具有优异性能的SERS微阵列，以及将其与自动化检测技术相结合，为SERS技术的广泛应用提供了新的途径。这种技术的高灵敏性和高效率有望在生物医学传感、临床诊断和食品安全检测等多个领域发挥重要作用，为这些领域带来新的可能性和广阔的应用前景。

论文链接： https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00006   

 

审核编辑：刘清