综述：SERS集成光学波导的新兴前沿：推动痕量液体分析的便携式和超灵敏检测

《Light-Science & Applications》：Emerging frontiers in SERS-integrated optical waveguides: advancing portable and ultra-sensitive detection for trace liquid analysis

本综述系统阐述了表面增强拉曼散射（SERS）与光学波导（如微结构光纤MOFs）集成传感技术的突破性进展。文章重点探讨了如何通过优化传感界面和SERS基底设计，克服传统SERS技术操作复杂、信号收集效率低等局限，最终实现痕量样本（如生物标志物、环境污染物）的超灵敏（检测限达10-14 mol/L）、快速（响应时间约25秒）及便携式检测，为生物医学诊断（如癌症、病毒感染）、环境监测等领域提供了新一代检测平台解决方案。

　　

引言

近年来，生物医学诊断、环境监测及化学分析等领域对高灵敏度、便携式、无标记传感技术的需求日益增长。表面增强拉曼散射（SERS）凭借其卓越的灵敏度和能够提供分子指纹信息的能力，已成为一种强大的分析工具。然而，传统SERS技术存在操作流程复杂、信号收集效率有限以及对大型仪器的依赖等固有局限。光学波导，特别是先进的光纤架构，因其机械灵活性、紧凑的几何结构以及对电磁干扰的优异免疫力而备受关注。将SERS与光学波导集成，通过倏逝场放大、微流控集成和便携式设备设计，为解决这些挑战提供了变革性方案。

光学波导集成SERS传感平台的新进展

SERS技术与光学波导的集成有效解决了传统SERS方法在对准复杂性、空间信号收集和仪器笨重方面的关键限制。基于波导的方法催生了用于遥感的SERS功能化光纤探针和利用光子晶体光纤（PCF）的微流控SERS平台等变革性策略。

远程SERS传感探针：从光纤端面到先进几何结构

早期的集成努力集中于利用单模光纤激发和收集来自样品池中分析物的SERS信号。为了提高检测灵敏度，研究人员开发了在光纤端面化学生长SERS基底的方法，构建了用于生物和化学分子检测的高灵敏度拉曼检测探针。例如，采用倾斜角为40°的银涂层光纤尖端，通过控制Ag/Al₂O₃形貌优化等离子体耦合，实现了超过95米的远程检测。

为了克服平端面设计中有限的倏逝场相互作用，研究人员开发了锥形和D形光纤探针。这些结构增强了倏逝场暴露，增加了与样品的相互作用，从而获得更强的拉曼散射信号。Vo-Dinh等人展示了尖端直径小于10纳米、涂覆有银岛的锥形光纤尖端，实现了亚微米空间分辨率的直接、无标记表面分析物分析。D形光纤通过侧面抛光暴露纤芯，提供了比传统端面大1.6 × 10³倍的SERS区域，其独特的几何结构实现了垂直激发和增强的光-分析物相互作用，使拉曼信号增强了三个数量级。

然而，当前的远程传感探针在可扩展性方面面临挑战，例如液体样品消耗量大、需要精密加工、易受机械损伤以及光学波导探针与液体的接触面积有限，限制了其检测灵敏度。

用于增强灵敏度的空心光子晶体光纤（HC-PCF）

光子晶体光纤（PCF）因其独特的微结构包层和空心设计而成为一类突破性的光学波导。其标志性的超低传播损耗（在特定带隙引导配置中小于0.1 dB/km）使得厘米尺度的光-物质相互作用长度成为可能，通过相干累积效应增强了分析信号。在拉曼应用中，PCF利用带隙效应将光限制在空心纤芯中，实现了与分析物厘米尺度的相互作用路径。Shi等人通过在内孔表面涂覆银纳米颗粒（AgNPs），创建了一种“三明治”SERS增强结构，将罗丹明6G（R6G）的信号比平面基底放大了10倍以上。

锥形微流控光子晶体光纤进一步优化了性能。通过有限元模拟计算入射高斯光束与光纤基模之间的归一化耦合系数，确保了高效的激光-光纤模式匹配。功能化金纳米粒子（AuNPs）后，能够检测到100 nM的4-氨基苯硫酚（ATP），与传统的样品池系统相比，SERS增强提高了12倍。这类平台已应用于生化痕量样品检测，例如，Altaf Khetani等人开发了一种使用银纳米颗粒功能化HC-PCF的便携式、无抗体白血病检测平台。

空心微结构光纤（HC-MOF）通过将光限制在空气通道中，同时扩大了等离子体照明面积并降低了来自光纤材料（玻璃）的背景拉曼信号。例如，使用空心反谐振光纤（HcARF）可以解析干燥液滴中的R6G浓度波动，将试剂消耗降至<5 μL。Wang等人展示了使用涂覆有Ag/ZnO纳米复合材料的HcARF实现了三个数量级的拉曼增强，其混合等离子体-光子耦合机制实现了单个外泌体检测和外泌体表面的多重蛋白质分析，增强因子（EF）>10⁹。

微结构光纤（MOF）与SERS的协同增强

微结构光纤（MOF）通过创新制造技术迅速发展，拓展了光-物质相互作用的前沿。其中，悬浮芯光纤（SCF）因其强大的光限制和典型的百分之几的总功率以倏逝波形式穿透空气孔而备受关注。基于SCF的传感平台对于小体积化学和生物传感特别有吸引力，因为分析物产生的信号沿光纤长度积分，导致低检测限，而其填充体积通常在几十纳升范围内。

结合拉曼散射理论和光学波导原理，可以建立光纤中拉曼信号的结构依赖性。拉曼散射强度与归一化重叠强度成正比，与有效模场面积成反比。将SERS技术与这种特殊结构的光纤相结合，可以进一步提高拉曼检测灵敏度。

作者所在课题组提出使用微结构悬浮芯光纤（M-SCF）与SERS技术相结合，通过化学键连接在悬浮芯表面生长SERS纳米颗粒。样品在空气孔内流动，与纤芯表面的SERS基底相互作用，通过纤芯的倏逝场激发样品并收集拉曼信号。初步验证中，使用R6G作为标志分子，检测限可达10^-14 mol/L，计算出的增强因子可达10⁹。这表明结合悬浮芯光纤和SERS构建的拉曼传感探针具有高灵敏度痕量样品检测能力。

这种基于M-SCF的微流控SERS探针通过SERS纳米颗粒的修饰，可以实现痕量靶标的无标记和特异性结合，使其广泛应用于生物和化学高灵敏度检测。例如，通过将氧化石墨烯（GO）整合到银纳米颗粒系统中，功能化SERS基底，实现了SD大鼠脑脊液中葡萄糖的高灵敏度检测，排除了其他杂质的干扰。类似地，该平台也实现了对粗DNA纯化溶液中腺嘌呤的精确捕获和检测，检测限达10^-14 mol/L，检测时间仅30秒。此外，利用复合SERS（GO/PDDA/Ag NPs）基底中的静电力与胆红素分子结合，实现了血液环境中胆红素的高灵敏快速检测，为黄疸等相关疾病的临床诊断提供了研究基础。

新兴技术的引入以推动实用性

在光学波导-SERS集成研究领域，设计集成了新型SERS纳米颗粒的专用光学波导结构至关重要。结合飞秒激光加工、腔增强技术和机器学习等尖端技术，有望开发出具有更高拉曼增强效果的探针。

飞秒激光加工技术：实现SERS基底的可定制制备

飞秒激光直写是一种用于创建三维纳米结构的表面图案化技术。其形成的等离子体颗粒分辨率高达40纳米，制造尺度可达几毫米，足以满足大规模SERS检测应用的需求。研究人员利用飞秒激光技术在不同材料表面制造具有周期性图案的纳米结构，从而增强SERS信号增强因子，实现高灵敏度分子检测。例如，通过飞秒激光诱导周期性表面结构（LIPSS）并结合银纳米颗粒（AgNPs），实现了对结晶紫的痕量检测，检测限（LOD）低至1.22×10^-15 M，增强因子达3.69×10¹⁰。

腔增强技术：增强光-物质相互作用

光与物质相互作用的面积决定了集成SERS传感结构对样品激发信号的增强。光学微腔与拉曼光谱的结合在拉曼散射收集效率方面显示出优势。一方面，光学微腔可以通过多次反射增强局部电场能量，增强基底上的电磁热点；另一方面，它们改善了探针与散射光场之间的光学匹配，实现了目标分析物的高灵敏度检测。

例如，高Q值（Q≈1500）光子晶体腔和波导与PDMS微流控通道集成，利用TM模式的强倏逝场增强光学力，实现了银纳米颗粒的定向捕获和聚集。结合局域表面等离子体共振（LSPR）和腔共振的双重增强效应，获得了平均5×10⁸的增强因子（EF）。另一种策略是构建法布里-珀罗（FP）腔结构，将金属纳米立方体-镜面（NCoM）等离子体天线与可调FP微腔耦合，实现了高度选择性的边带增强分子拉曼散射，增强因子高达10¹⁰。

将腔结构与全长微流控SERS探针集成是可行的。基于激发光和散射光子的波长设计合适的腔结构，腔增强与微流控技术的协同组合能够实现高效的样品激发和多维散射光子收集，显著提升拉曼增强效果。

机器学习：辅助光谱的人工智能分析

在拉曼光谱分析中，复杂基质中生物大分子的多重光谱特征以及生物样品组成的复杂性对准确提取有意义信息提出了巨大挑战。多元分析和机器学习（ML）方法已被用于分析这些光谱数据集。

深度学习方