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杭州專譜光電技術有限公司

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拉曼Sers芯片原理和應用

閱讀:1079      發(fā)布時間:2025-6-25
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SERS是一種表面敏感的光譜技術,通過將待測分子吸附在粗糙的納米金屬表面,使其拉曼信號增強 10?-101?倍,突破傳統(tǒng)拉曼靈敏度低的局限。

 

一、SERS技術原理與核心優(yōu)勢

1.       增強機制

·       電磁場增強:貴金屬納米結構(金/銀/銅)表面產生局域等離激元共振,使入射激光電場強度提升10?–10?倍,拉曼信號增強達10?–101?倍

·       化學增強:分子與基底間電荷轉移效應,進一步放大信號(約10–100倍)

2.       技術突破性

·       實現(xiàn)單分子級檢測,靈敏度遠超傳統(tǒng)拉曼

·       支持無損、免標記分析,適用于復雜基質樣品(如生物體液、環(huán)境污染物)

3.SERS活性基底

常用材料:銀、金、銅納米結構,形態(tài)包括溶膠粒子、納米棒、核殼結構等

設計核心:通過調控納米結構的尺寸、形貌和排列方式優(yōu)化電磁場"熱點"密度

 



 


二、核心應用領域與典型案例

1. 環(huán)境監(jiān)測

·       水體污染檢測:痕量重金屬(鉛/汞)檢測限達ppb級,通過功能化探針實現(xiàn)特異性識別

·       農藥殘留分析:田間快速篩查果蔬中有機磷農藥,檢測時間<5分鐘。

2. 生物醫(yī)學

·       疾病標志物檢測:癌癥早期診斷中檢測血清中pg/mL級miRNA。

·       藥物代謝研究:原位追蹤細胞內的藥物分布及代謝路徑。

3. 工業(yè)質檢

·       食品安全:非法添加劑的現(xiàn)場篩查,誤判率<0.5%。

·       材料分析:納米材料表面修飾分子構象解析。



 


三、技術進展與創(chuàng)新方向(2023–2025)

1.       基底材料革新

·       半導體/介電基底:氧化鋅、二氧化鈦等材料突破貴金屬限制,提升化學穩(wěn)定性及生物相容性

·       磁性復合基底:Fe?O?@Au核殼結構實現(xiàn)目標分子富集與SERS檢測一體化。

2.       信號均一性優(yōu)化

·       周期性納米陣列:電子束光刻技術制備均一熱點,信號相對標準偏差(RSD)<5%

·       殼層隔絕納米粒子(SHINERS):超薄惰性殼層(SiO?/Al?O?)隔絕環(huán)境干擾,拓展至電化學、催化反應原位監(jiān)測[[1]

3.       設備集成與智能化

·       便攜式SERS芯片:微流控-SERS聯(lián)用裝置實現(xiàn)現(xiàn)場水質重金屬檢測

 

·       AI輔助光譜解析:深度學習算法自動識別重疊峰,準確率>90%



 


四、關鍵挑戰(zhàn)與未來展望

1.       可重復性瓶頸

·       基底熱點的空間異質性導致信號波動(當前*優(yōu)RSD≈15%)

·       解決路徑:開發(fā)自校準基底(內置內標分子)+ AI實時校正算法

2.       產業(yè)化應用拓展

·       柔性可穿戴傳感器:植入服裝/皮膚監(jiān)測生理指標

·       太空探索:火星土壤成分原位分析(NASA 2030計劃)

3.       綠色可持續(xù)技術

·       生物合成納米銀(微生物還原法),降低制備成本與環(huán)境污染



 


五、SERS基底技術演進對比

基底類型

優(yōu)勢

局限

典型應用

貴金屬溶膠(Ag/Au)

增強因子高(10?–101?)

團聚導致信號不穩(wěn)定

實驗室快速篩查

周期性納米陣列

信號均一性好(RSD<8%)

制備成本高

精密定量分析

半導體氧化物

生物相容性佳、成本低

增強因子較弱(103–10?)

活細胞成像

磁性復合基底

靶向富集+檢測一體化

磁場干擾光學信號

環(huán)境污染物分離檢測

 


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