《Spectrochimica Acta Part A: Molecular and Biomolecular Spectroscopy》：On-demand microfluidic synthesis of silver nanoparticles for SERS detection of organic compounds: A preliminary feasibility study for astrobiology applications
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摘要在痕量浓度水平下检测有机分子仍然是天体生物学研究中的一个关键挑战。虽然拉曼光谱技术是用于行星表面研究的强大且成熟的技术，但其固有的灵敏度通常限制了低丰度生物标志物的检测。表面增强拉曼光谱（SERS）技术可以显著提升信号强度，但在空间应用方面仍面临诸多限制，特别是在重复性、稳定
摘要
在痕量浓度水平下检测有机分子仍然是天体生物学研究中的一个关键挑战。虽然拉曼光谱技术是用于行星表面研究的强大且成熟的技术，但其固有的灵敏度通常限制了低丰度生物标志物的检测。表面增强拉曼光谱（SERS）技术可以显著提升信号强度，但在空间应用方面仍面临诸多限制，特别是在重复性、稳定性和长期操作性方面。
在这项工作中，我们介绍了一种专为芯片上合成等离子体银胶体及其直接应用于SERS分析而设计的微流控芯片的开发与验证。该系统能够在分析前可控且可重复地生成新鲜的SERS活性胶体。我们使用ExoMars拉曼激光光谱仪模拟器（RLS-SIM）对芯片上的核碱基（作为生物标志物的替代物）进行了测试，检测限达到了10?7至10?11 M，相比传统拉曼测量方法提高了七个数量级。
这些结果展示了将微流控技术和SERS结合用于高度敏感、可重复且紧凑的分析平台的强大潜力，这种平台符合行星探测任务的限制。所提出的方法为未来旨在探测行星表面微量有机化合物的天体生物学任务中实施拉曼/SERS混合系统奠定了重要基础。
引言
在空间探索中，尤其是天体生物学领域，检测和监测有机化合物是主要目标，因为识别潜在的分子生物特征对于研究地球之外是否存在生命至关重要。目前，拉曼光谱技术在这一领域发挥着重要作用。火星2020/毅力号探测器上的SHERLOC [1]、[2]和SuperCam [3]、[4]、[5]仪器正在探测杰泽罗陨石坑中的矿物和有机成分，而ExoMars罗莎琳德·富兰克林号探测器上的拉曼激光光谱仪（RLS）[6]、[7]将与MicrOmega [8]和MOMA [9]仪器一起在奥克西亚平原[10]寻找潜在的生物标志物。
尽管拉曼仪器从火星表面获取了前所未有的科学信息[11]、[12]、[13]，但传统拉曼光谱的固有低灵敏度限制了其检测微量有机化合物的能力，而这些有机化合物预计以痕量浓度存在于地质基质中。
表面增强拉曼光谱（SERS）是一种克服这一灵敏度限制的有前景的方法。SERS依赖于分析物分子与等离子体金属纳米结构的相互作用，通过电磁和化学机制的结合，可以大幅增强拉曼信号[14]。由于其高灵敏度、分子特异性和多功能性，SERS已在化学[15]、食品安全[16]、医学[17]和环境分析[18]等领域得到广泛应用。
然而，目前仍有若干限制阻碍了SERS在太空任务中的应用[14]。重复性是一个主要问题，因为等离子体基底或胶体的制备过程中的微小变化可能会改变纳米粒子的大小、形态、聚集状态和表面化学性质，从而影响增强效果和测量的一致性[19]。稳定性也是一个重要限制，因为腐蚀、氧化和聚集会逐渐降低SERS活性材料在储存过程中的性能[20]。对于需要经过多年储存并在使用前暴露于任务相关条件下的空间探测任务来说，这一问题尤为重要。尽管初步研究探讨了SERS在地质、天体生物学和太空相关环境中检测有机化合物和潜在生物标志物的潜力[21]、[22]、[23]、[24]、[25]、[26]，但关于SERS活性材料的长期保存和可靠操作的技术挑战仍尚未得到充分解决。
在这种情况下，将SERS与微流控技术结合是一种特别有前景的策略，因为微流控芯片可以在分析前立即在原位合成新鲜的等离子体胶体。这种按需生产的方式避免了长时间储存预先合成的纳米颗粒，从而减少了因老化、氧化和聚集导致的SERS性能下降。此外，精确控制试剂体积、流速、混合条件和反应时间可以提高胶体合成的重复性，并最小化试剂消耗[27]、[28]、[29]、[30]。这些特点使得微流控系统特别适用于质量、体积、功率和可用耗材受到严格限制的行星探测任务。
然而，迄今为止，微流控SERS平台主要针对地球应用开发。先前的研究报告了合成等离子体纳米颗粒的微流控反应器，这些反应器能够更好地控制纳米颗粒的大小、形态和批次间的重复性。在这些方法中，微流控设备内生成的纳米颗粒随后被收集出来，用于制备SERS基底或进行外部测量[31]、[32]、[33]、[34]、[35]。尽管这些系统展示了微流控合成的优势，但仍需要在分析前进行额外的处理、转移或基底准备步骤。
相比之下，同时使用同一微流控平台合成新鲜等离子体纳米颗粒并进行后续SERS分析的报道较少[36]、[37]。尽管这些完全集成的平台具有显著的分析潜力，但它们是为地球应用（如环境监测、食品安全和生物医学）开发的。因此，它们的设计并未特别考虑行星任务的 operational 要求和长期储存限制。
为解决这一差距，本研究提出了一种专门用于支持未来行星探测中SERS应用的集成微流控策略。所提出的平台基于一项专利微流控概念（WO 2023/079198 A1），它能够在同一芯片上按需合成新鲜银胶体，使其与目标分析物相互作用，并直接进行SERS分析。通过分析前立即生成胶体，这种方法消除了长期储存的需求，避免了纳米粒子老化导致的SERS性能逐渐下降。在这项初步可行性研究中，我们开发并优化了微流控架构，表征了合成的银胶体的性质，并使用核碱基作为天体生物学相关的模型化合物对其分析性能进行了评估。
章节片段
试剂
硫醇-烯（TE）芯片是通过混合戊糖四（3-巯基丙酸酯）（“tetrathiol”）和三烯丙基-1,3,5-三嗪-2,4,6(1H,3H,5H)-三酮（“triallyl”）TE单体制备的，这些原料购自Sigma Aldrich（丹麦布隆德比）。聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具则使用Sylgard 184硅胶弹性体套件（陶氏康宁，美国）制备。
随后在含有试剂级核碱基（腺嘌呤）的溶液中测试了合成纳米乳液的等离子体效应。
整体概念设计
如第2.2节所述，本研究中开发的微流控芯片旨在以微型化和自动化的形式重现Leopold和Lendl（2003）[38]最初提出的快速银胶体合成方法。为了便于在微流控平台上实现这一合成过程，我们调整了两种前体溶液的混合比例，同时保持最终的反应浓度不变。
结论
在这项工作中，我们成功开发并初步验证了一种集成按需合成银胶体并将其直接应用于SERS分析的微流控系统。所提出的平台展示了可靠的连续流操作能力和银胶体的可重复生成，这一点通过紫外-可见光谱和TEM表征得到了证实。此外，储液室使得可以在同一芯片内直接进行SERS测量。
利益冲突声明
作者声明没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本出版物得到了“PID2022-142490OB-C32”和“PCI2023-146000-2”项目的支持，这些项目由MICIU/AEI/10.13039/501100011033资助，并得到欧盟FEDER的共同资助。它还得到了卡斯蒂利亚-莱昂自治区教育部门（JCyL）的VA026G24和CLU-2023-1-05项目的支持。此外，欧盟-NextGenerationEU也提供了资金支持，资助了Investigo项目。作者还感谢欧洲社会基金会和卡斯蒂利亚-莱昂自治区教育部门的支持。
Lidia Asenjo Estevez|Ilaria Costantini|J?rg P. Kutter|Gowtham Sathyanarayanan|Jose Antonio Manrique|Sofia Julve González|Ivan Reyes Rodríguez|Maria Mayoral Yagüe|Sergio Jimenez Blazquez|Aurelio Sanz Arranz|Eduardo Rodríguez Gutiez|Guillermo Lopez-Reyes|Marco Veneranda
ERICA研究小组和颠覆性跨学科科学实验室（LaDIS），西班牙巴利亚多利德大学，巴利亚多利德
