综述：天然启发表面增强拉曼散射分析科学基底的制备

《Current Analytical Chemistry》：Fabrication of Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) Substrates in Analytical Science by Natural-inspired Materials: A Review

本综述系统梳理了受自然界（如荷叶超疏水、壁虎脚强粘附）微纳结构启发的表面增强拉曼散射（SERS）基底的最新进展，将其分为植物源、动物源和病毒源三类，详细阐述了其仿生制备方法、高灵敏度机理及在分析科学中的应用，并展望了未来发展方向。

　　

摘要

表面增强拉曼散射（SERS）光谱作为一种新型快速检测技术，具有分子指纹识别能力，可实现痕量级检测。优化SERS灵敏度和可靠性的关键在于对SERS基底纳米结构的精确控制。自然界通过数十亿年的进化，成为一位卓越的创造者，基于微纳结构发展出具有卓越能力的生物体，例如荷叶的超疏水性和壁虎脚的强粘附力。本综述将天然材料启发的SERS基底的最新进展分为三大类：植物源、动物源和病毒源。对每一类别都进行了详细探讨，描述了其独特的纳米结构如何启发高灵敏度SERS基底的发展，及其制备方法和在分析科学中的应用。此外，综述指出了当前面临的挑战，例如天然启发SERS基底的均匀性和可扩展性，并提出了未来的方向，包括混合仿生结构与先进制造技术的集成。通过加深对这些天然启发材料的理解，我们旨在未来促进SERS在分析科学中的实际应用。

植物源天然启发SERS基底

植物王国为SERS基底的设计提供了丰富的灵感来源。荷叶表面因其超疏水性和自清洁能力而闻名，这源于其微米级乳突和纳米级蜡质晶体的分级结构。研究人员通过模仿这种结构，制备了具有高比表面积和大量“热点”的SERS基底，显著增强了拉曼信号。例如，通过模板法或自组装技术制备的仿荷叶微纳结构金属基底，在检测农药残留和环境污染物方面表现出高灵敏度和可靠性。此外，其他植物结构，如玫瑰花瓣的各向异性粘附表面、水稻叶的定向微沟槽等，也被用于指导具有特定表面润湿性或分子捕获能力的SERS基底的设计，拓展了其在分析科学中的应用范围。

动物源天然启发SERS基底

动物界同样蕴藏着微纳结构的宝库。壁虎脚趾上的数百万根纳米级刚毛使其能够产生强大的范德华力，从而在各种表面攀爬。受此启发，研究人员开发了具有高密度纳米阵列的SERS基底，这些阵列类似于刚毛结构，能够有效捕获分析物分子并产生极强的电磁场增强。蝴蝶翅膀的鳞片结构具有光子晶体特性，能够调控光与物质的相互作用，将其与金属纳米颗粒结合可制备出具有特定光学共振的SERS基底，进一步提高检测灵敏度。此外，贝壳的珍珠层结构、昆虫复眼的多孔结构等也被用于构建具有优异机械性能或广视角检测能力的SERS平台，为复杂实际样品分析提供了新策略。

病毒源天然启发SERS基底

病毒颗粒，如烟草花叶病毒（TMV）和噬菌体，具有精确的尺寸、形状和表面化学特性，是构建SERS基底的理想模板。这些生物模板可以通过基因工程或化学修饰进行定制，从而精确控制金属纳米颗粒的成核、生长和排列。例如，利用TMV的棒状结构可以制备出一维的金属纳米线阵列，形成沿轴向分布的大量“热点”。噬菌体展示技术则可用于筛选对特定目标分子具有高亲和力的肽段，进而指导功能化SERS基底的构建，实现对生物标志物的高选择性检测。病毒模板制备的SERS基底具有良好的单分散性和可编程性，在生物传感和医学诊断领域展现出巨大潜力。

挑战与未来展望

尽管天然启发的SERS基底取得了显著进展，但仍面临一些挑战。首要挑战是基底的均匀性和重现性，天然结构的复杂性使得大规模制备具有一致性能的基底变得困难。其次，将实验室的制备方法转化为可扩展、低成本的生产工艺仍需进一步探索。未来研究方向包括开发混合仿生结构，结合多种生物体的优势特征；集成先进制造技术，如3D打印和纳米压印，以实现对基底结构的精确控制；以及探索这些新型基底在食品安全、临床诊断和环境监测等领域的实际应用。通过跨学科合作，深入理解结构-性能关系，有望推动天然启发SERS基底从基础研究走向实际应用。