表面增強拉曼散射（SERS）技術(shù)，作為一種強有力的分析工具，已在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為了減少檢測時間并最大限度地減少人為錯誤，自動化檢測經(jīng)常被整合到生化分析技術(shù)中。但是，目前用于樣本檢測的SERS基底制備過程既復(fù)雜又容易受到人為操作的影響，這限制了SERS技術(shù)與自動化檢測的深度結(jié)合。

盡管唾液脲酶作為幽門螺桿菌的生物標(biāo)志物具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前采用的檢測方法在靈敏度和自動化方面還需改進。通過不斷改進檢測技術(shù)和引入自動化設(shè)備，有望提高唾液脲酶檢測的準(zhǔn)確性和效率，從而為幽門螺桿菌感染的診斷和治療效果監(jiān)測提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

近期，西安電子科技大學(xué)的胡波教授課題組受到蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，結(jié)合了表面增強拉曼散射（SERS）技術(shù)和自動化檢測技術(shù)，創(chuàng)新性地設(shè)計并制造了一種用于大規(guī)模自動化檢測唾液中脲酶活性的SERS微陣列。這種SERS微陣列不僅顯著縮短了檢測時間，還降低了人為誤差，具有在生物醫(yī)學(xué)檢測領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的前景。

相關(guān)研究成果以“Honeycomb-Inspired Surface-Enhanced Raman Scattering Microarray for Large-Area Automated Testing of Urease in Saliva Samples”為題發(fā)表在了國際知名傳感器期刊《ACS Sensors》上，并且被期刊選為內(nèi)封面文章。

受蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，SERS微陣列的設(shè)計采用了正六邊形微孔密鋪結(jié)構(gòu)。相較于其他正多邊形，正六邊形能夠?qū)崿F(xiàn)最大的空間利用率，使得在相同面積的基底上能夠布置更多的檢測位點，這無疑為大面積自動化檢測提供了極大的便利。此SERS微陣列的制備過程受到了蜂巢的啟發(fā)，采用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）軟光刻技術(shù)，并結(jié)合表面改性與銀納米星（AgNSs）的吸附，這一系列制備流程既方便又經(jīng)濟。此外，多枝杈的AgNSs在基底表面分布均勻，不僅顯著增強了SERS信號，同時也大幅提升了信號的均一性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的設(shè)計和制備

本研究深入研究了AgNSs的溶劑組成、濃度以及吸附時間等關(guān)鍵參數(shù)，旨在優(yōu)化受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的性能。通過詳細表征SERS微陣列表面AgNSs的吸附狀況，并分析在不同參數(shù)條件下拉曼報告分子（4-巰基苯甲酸，4-MBA）的SERS信號，成功確定了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的最佳制備參數(shù)。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的優(yōu)化

本研究從分子吸附和熱點構(gòu)建兩個角度，對SERS信號的變化進行了深入的理論分析和闡釋。隨著AgNSs密度的提升，部分待測分子被吸附在底層的AgNSs上，由于這些分子無法被有效檢測到，因此會導(dǎo)致SERS信號出現(xiàn)下降。利用時域有限差分法（FDTD）對SERS微陣列表面的局部電場分布進行了仿真模擬。結(jié)果表明，過高的AgNSs密度會引發(fā)“掩蔽效應(yīng)”，這種效應(yīng)會減少SERS的熱點數(shù)量，進而造成SERS信號的降低。

通過FDTD方法仿真局部電場分布

本研究還全面表征了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在均一性、可重復(fù)性、增強因子和穩(wěn)定性等SERS性能方面的表現(xiàn)。與實驗室常用的4種SERS基底相比，該SERS微陣列展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。其表面吸附的AgNSs分布非常均勻，確保了檢測信號的高度一致性，從而在信號均一性方面表現(xiàn)出最佳性能。這一優(yōu)勢使得該SERS微陣列在實際應(yīng)用中具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列與其他4種SERS基底的比較

經(jīng)過重復(fù)性、增強性和穩(wěn)定性實驗驗證，受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列展現(xiàn)出了卓越的性能。其可重復(fù)性極高，通過對9批不同基底上拉曼報告分子的特征峰位信號進行檢測，發(fā)現(xiàn)相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值均低于8%。同時，該微陣列的增強因子可達到10?數(shù)量級。更為重要的是，在室溫條件下保存滴有待測樣本的SERS微保存兩周后，其信號強度僅降低了約18%（主要歸因于AgNSs的輕微氧化），這充分證明了該SERS微陣列具有出色的時間穩(wěn)定性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的性能表征

為了深入探索受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在檢測唾液中脲酶活性方面的能力，本研究基于尿素-脲酶催化反應(yīng)進行了一系列實驗。首先，驗證了該SERS微陣列具有定量檢測脲酶活性的能力，這為其后續(xù)應(yīng)用奠定了堅實基礎(chǔ)。接著，采集了志愿者的模擬唾液樣本，并利用該微陣列進行了檢測。通過計算分析，成功得出了樣本中脲酶的濃度，并評估了其回收率。這些實驗結(jié)果充分證明了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是檢測唾液中脲酶活性方面，具有巨大的應(yīng)用潛力。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列檢測唾液中脲酶活性

本研究進一步整合了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列、多軸位移平臺以及拉曼光譜儀等先進設(shè)備，成功構(gòu)建了一個高效的SERS自動化檢測平臺，實現(xiàn)了SERS技術(shù)與自動化檢測技術(shù)的完美結(jié)合。通過這一平臺，僅需一次操作便能迅速自動獲取多達100條光譜數(shù)據(jù)，這不僅顯著縮短了檢測所需的時間，還有效降低了人工操作可能引入的誤差。該平臺充分展示了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在大面積自動化檢測唾液樣本中脲酶活性方面的巨大潛力和優(yōu)勢。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的自動化檢測

綜上所述，本研究受蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計了一種具有六邊形微孔結(jié)構(gòu)的SERS微陣列，并通過一系列簡便且經(jīng)濟的方法成功制備。這種獨特的微陣列結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出卓越的SERS增強因子、信號均一性以及可重復(fù)性，從而顯著提高了檢測效率和信號穩(wěn)定性。

為了進一步提升檢測效率，將這種受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列融入了自動化SERS檢測平臺中，成功地將表面增強拉曼散射技術(shù)與自動化檢測相結(jié)合。這一創(chuàng)新性的整合不僅突破了拉曼檢測標(biāo)準(zhǔn)化的難題，還實現(xiàn)了對唾液樣本中脲酶活性的大面積自動化檢測。通過這種方式，不僅大幅縮短了檢測周期，還有效減少了人為操作失誤，提升了檢測的準(zhǔn)確性和可靠性。

總的來說，本研究通過設(shè)計并制備具有優(yōu)異性能的SERS微陣列，以及將其與自動化檢測技術(shù)相結(jié)合，為SERS技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的途徑。這種技術(shù)的高靈敏性和高效率有望在生物醫(yī)學(xué)傳感、臨床診斷和食品安全檢測等多個領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為這些領(lǐng)域帶來新的可能性和廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00006