集成微透镜阵列实现快速并行表面增强拉曼光谱检测

本研究针对微流控芯片集成表面增强拉曼光谱（SERS）技术面临的信号均匀性低、光收集效率差及光学对准敏感等问题，创新性地将高光学质量微透镜阵列（MLA）集成至SERS平台。研究通过超精密金刚石车削（UDT）和软光刻技术制备MLA，实现了功率密度从40 W/cm2提升至700 W/cm2，信噪比（SNR）提高5倍，并显著降低x、y、z轴对准敏感性。该技术为即时诊断（POC）和高通量传感提供了可扩展的高灵敏度解决方案。

　　

表面增强拉曼光谱（SERS）是一种能在分子水平提供高灵敏度特异性信息的分析技术，但其与微流控芯片的集成长期受限于信号不均匀、光收集效率低及严苛的光学对准要求。这些问题严重阻碍了SERS在即时诊断（POC）和实时监测中的应用。为此，来自国外研究机构的Sara Abbasi团队在《Sensing and Bio-Sensing Research》发表研究，通过集成高精度微透镜阵列（MLA）成功突破这些技术瓶颈。

研究采用超精密金刚石车削（UDT）结合软光刻技术制备MLA，利用Zemax OpticStudio进行光学仿真优化设计。通过双光子聚合（2PP）制作金涂层纳米柱SERS基底，并构建自制拉曼探针系统验证性能。实验选用10 μM双吡啶乙烯（BPE）作为模型分析物，采用785 nm激光和多功能光纤束实现激发-收集一体化检测。

3.1 SERS集成平台的制备与表征
通过2PP技术制备的纳米柱阵列（高0.7 μm，间隙0.5 μm）经50 nm金涂层后，增强因子达2.26×10⁶。微流控通道采用140 μm双面胶密封，MLA作为盖片集成，形成完整检测芯片。

3.2 MLA设计与光学性能
仿真显示MLA将功率密度从40 W/cm²提升至700 W/cm²，光斑尺寸优化至150 μm。实际制备的PDMS基MLA表面粗糙度仅7.56 nm（RMS），总散射损耗<2%，实现20×20阵列的多焦点并行激发。

3.3 拉曼探针验证
自制七光纤探针测试表明，MLA使信号强度提高5倍，且在10 mm距离内保持稳定检测（非MLA组信号完全消失）。空间分区实验证实MLA可同时检测4个区域，批间差异主要源于制备波动。

该研究首次证实MLA能同步解决SERS的激发密度、收集效率和对准容忍度三大核心问题。通过UDT和软光刻的标准化工艺，MLA-SERS平台展现出可扩展制造潜力，为便携式诊断设备开发奠定基础。其多重焦点设计特别适用于色谱分析等需空间分辨的高通量场景，标志着光学微流控系统向临床实用化迈进关键一步。