基于光纤的SERS信号长程探测有以下特点: (1)传输效率高、 抗干扰能力强、 损耗小, 可以实现长距离检测; (2)体积微小、 操作简单、 可进行实时检测。 根据采用光纤类型的不同, 基于光纤的SERS信号长程探测方式可分为基于空心光纤的SERS信号长程探测和基于实心光纤的SERS信号长程探测。

(1)基于空心光纤的SERS信号长程探测

基于空心光纤的SERS信号长程探测一般是将空心光纤作为液体输运与信号传输的复合通道, 该方式可实现SERS信号厘米级别的长距离传输与累积, 达到痕量检测的目的。

Geng等^[18]采用光还原法制备棱柱形银纳米颗粒, 在全填充的空心光纤内可有效传输激发光和样本分子SERS信号。 在300 ms的短积分时间内, 利用有效光程为5.4 cm的空心光纤可实现对1× 10^-8 mol· L^-1罗丹明6G(R6G)溶液的检测。 为了提高SERS信号的收集效率, Chu^[19]等构建了一种基于内镀金属空心光纤(SLHCF)的SERS信号探测结构(图3), 使用光纤插入的方法来提高光耦合效率, 所产生的拉曼光在激发光入射端收集。 该结构使用背向收集的方式[图3(b)]提供了2倍的交互长度(6.2 cm)和2倍的信号收集效率, 与直接使用裸露光纤头结构对比, 长度为3.1 cm的SLHCF结构可提供近50倍的信号增强。 在常压且没有交叉污染的情况下可检测0.25 mol· L^-1的头孢噻肟钠, 满足目前医用检测要求, 这种探测结构为药物的检测提供了一种有效的途径。

图3

Fig.3

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	图3 基于内镀金属空心光纤SERS信号探测结构示意图[19]Fig.3 Schematic diagram of SERS signal detection structure based on metal coated hollow optical fiber[19]

倏逝场强度沿光纤表面法线方向呈指数衰减, 越接近光纤内表面全反射点其强度越高。 Li^[20]等研究了一种基于凹陷双包层空心光纤的SERS探针, 该探针由一个多模光纤和一个凹陷双包层光纤组成。 由于凹陷双包层空心光纤的光场分布比无凹陷的空心光纤更接近外表面, 样品分子拉曼散射的激发效率可进一步提高。 利用探测长度为1 cm的SERS探针检测R6G溶液, 其检测限为1× 10^-5 mol· L^-1, 并且可在1× 10^-5~5× 10^-4 mol· L^-1范围内进行定量研究, 其决定系数为0.96。 同年, Gao^[21]等通过化学键合的方法将银纳米颗粒固定在空心光纤中, 制作了一种基于微结构空心光纤的新型SERS探测结构。 由于光纤端面镀有反射膜, 激发光与待测样品在13 cm有效光程内可反复作用。 通过检测1× 10^-14 mol· L^-1的R6G溶液, 验证了其较高的检测灵敏度。 同时, 该结构可准确检测出浓度为1× 10^-6 mol· L^-1头孢曲松的拉曼特征峰。 该课题组提出的结构探测灵敏度高, 为抗生素的检测提供了一种新的思路。

除了增加激发光与样品分子作用的有效光程, 实验前期的预处理也可提高SERS探测性能。 Eravuchira^[22]等利用空心光子晶体光纤的光学特性, 将生物样本β -淀粉样蛋白1-42溶液填充到5 cm空心光纤中, 让其在测量前缓慢流过空心光纤2 min。 与常规直接检测方法相比, 该课题组采用的方法能够在蛋白质类检测物中产生高于20倍的SERS信号, 其检出限为4× 10^-5 mol· L^-1。 此外, 将空心光纤与等离激元纳米粒子结合, 样品分子拉曼信号可得到整体200倍的放大。

Mu等^[23]使用化学还原法制备银/金纳米粒子, 在400 ℃条件下将其原位沉积在空心光纤内表面制成等离子体空心光纤SERS探针。 该SERS探针可将激发光能量限制在5 cm空心光纤空间内以及沿内壁大规模分布的SERS热点上, 对R6G的检出限为1× 10^-6 mol· L^-1。 样品分子拉曼信号的放大与有效热点数量有着密切联系, 该课题组为在空心光纤内制作SERS热点提供了一种新的方法。

Merdalimova等^[24]以空心光纤为基础, 利用分层组装技术以及紫外线诱导还原技术制作了一种功能化空心光纤SERS基底, 并以R6G为分析样本研究了该SERS基底的性能。 结果表明, 紫外线诱导氯金酸还原产生的金颗粒的增强因子为1.3× 10⁴, 利用2.5 cm功能化后的空心光纤作为微流体通道时, 其增强因子较未处理的空心光纤的增强因子高10倍, 对R6G的检出限2× 10^-4 mol· L^-1。

表1对比了不同类型的空心光纤长程探测SERS基底的性能, 可以看出基于空心光纤的SERS信号长程探测方式的探测距离通常在厘米量级, 较长的有效作用光程可以充分累积待测样本的SERS信号。 同时也可以看出该类型长程探测方式在生物医学方面具有较广泛的应用前景。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 空心光纤SERS基底长程探测 Table 1 Long-range detection of hollow fiber SERS substrate SERS基底结构类型 测试样品 测试结果 参考文献 灵敏度/(mol· L-1) 长程探测距离/cm 全填充空心光纤 R6G 1× 10-8 5.4 [18] 内镀金属空心光纤 头孢噻肟钠 0.25 6.2 [19] 凹陷双包层空心光纤 R6G 1× 10-5 1 [20] 微结构空心光纤 头孢曲松 1× 10-6 13 [21] 空心光子晶体光纤 β -淀粉样蛋白1-42 4× 10-5 5 [22] 等离子体空心光纤 R6G 1× 10-6 5 [23] 功能化空心光纤 R6G 2× 10-4 2.5 [24]

表1 空心光纤SERS基底长程探测 Table 1 Long-range detection of hollow fiber SERS substrate

(2)基于实心光纤的SERS信号长程探测

基于实心光纤的SERS信号长程探测一般是在实心光纤的固有结构基础上, 使用化学或物理方法对其外表面或实体进行改造。 在光纤表面镀贵金属膜或者沉积不同结构金属纳米颗粒^{[25, 26, 27]}可增强其对样品分子的探测效果, 且制作工艺相对简单; 另一类是对光纤进行结构改造, 增加样品分子的SERS有效探测面积, 从而提高其SERS探测性能。

Chen等^[28]采用热拉法和化学刻蚀法制备了尖端长度为40.7 nm的纳米锥形光纤, 结构如图4(a)所示。 采用静电自组装技术将金纳米颗粒沉积在长度约为2.4 mm的锥体表面。 利用该锥形光纤SERS结构测试R6G溶液, 其检测限可达1× 10^-8 mol· L^-1。

图4

Fig.4

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图4 (a) i 锥形光纤SEM图, ii Frens法和微波加热法制备金纳米颗粒TEM图, iii 金纳米颗粒修饰纳米探针SEM图, iv 金纳米颗粒在纳米探针表面分布情况[28]; (b)宽为12 μ m的银沉积U形光纤探针SEM图像[30]; (c) 双锥形光纤SERS探针SEM图[31]; (d) 锥形光纤表面沉积立方体纳米颗粒示意图(左), 立方体纳米颗粒TEM图(右)[32]Fig.4 (a) i SEM photograph of the tapered optical fiber; ii TEM photograph of gold nanoparticles prepared by Frens method and microwave heating method; iii SEM photographs of nanoprobe modified with gold nanoparticles; iv Distribution of gold nanoparticles on the nanoprobe surface[28]; (b) SEM image of silver-deposited U-shaped fiber probe with width of 22 μ m[30]; (c) SEM of double tapered fiber SERS probe[31]; (d) Schematic diagram of cubic nano particles deposited on the surface of tapered fiber (left), TEM diagram of cubic nano particles (right)[32]

样品分子与SERS增强介质的接触面积也可影响检测性能。 Yin^[29]课题组在D形光纤上沉积银纳米颗粒制作高性能SERS探针。 激发光从D形光纤内部入射随后耦合至长度为100~500 μ m的银纳米颗粒阵列上, 进而增加样品分子SERS效应的有效活性面积。 该探针可检测到1× 10^-7 mol· L^-1的R6G溶液信号。 同年, 该课题组为提高SERS检测灵敏度, 使用相同工艺制作了宽12 μ m, 深88 μ m的U形SERS探针^[30], 其结构如图4(b)所示。 由于端面的反射, 其长程探测距离至少为24 μ m, 该探针SERS信号的收集效率得到提高, 可检测浓度为1× 10^-8 mol· L^-1的R6G溶液。

在一定范围内增加实心光纤长度可使样品分子SERS信号长距离累积, 提高检测性能, 降低对样品分子的检出限。 Zhao等^[31]制备了用金纳米颗粒修饰的双锥形光纤SERS探针, 如图4(c)。 该SERS探针可实现大约28 cm有效光程的长程探测且灵敏度较高, 对R6G的检出限为1× 10^-9 mol· L^-1。 由于锥形光纤锥尖的角度以及贵金属纳米颗粒的形状对样品分子SERS信号的探测性能都有一定影响, Yu等^[32]制造了一种基于银纳米立方体的光纤SERS探针, 如图4(d)所示。 采用化学刻蚀法制作不同锥角的光纤, 并利用仿真软件FDTD模拟球形与立方体纳米颗粒的电场分布。 结果表明两个银纳米立方体顶点之间具有比纳米球更强的电场, 且当光纤锥角为8.3° 时可得到最佳探测效果。 该SERS探针可以实现大约1 mm的SERS信号长程探测, 对结晶紫的检出限为1× 10^-10 mol· L^-1, 增强因子为6.23× 10⁸。

外加空间约束可提高激发光对样品分子SERS效应的激发效率从而增强对样品分子的检测性能。 Wang等^[33]提出了一种基于腔增强银纳米颗粒修饰锥形光纤的SERS探针, 结构如图5所示。 其拉曼增强主要由锥形光纤表面银纳米颗粒的LRSPR和反射腔诱导的反射光引起。 锥形光纤长为270 μ m, 仿真得到该结构的增强因子为5.51× 10⁴, 实验测试结果表明, 该结构可检测1× 10^-7 mol· L^-1的结晶紫溶液。

图5

Fig.5

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	图5 新型腔增强金属修饰锥形光纤拉曼探针示意图[33]Fig.5 Schematic of a novel cavity-enhanced metal decorated tapered fiber Raman probe[33]

由上可知, 基于实心光纤的SERS信号长程探测方式的探测距离大多在微米至毫米量级。 在实心光纤表面沉积贵金属纳米结构, 其工艺相对简单; 对实心光纤的结构进行改造, 制作难度较大, 需要进行微米或纳米级别的特殊工艺处理, 但其SERS性能有所提高。

光波导的尺寸较小且集成度较高, 方便与微流体芯片集成。 近几年, 基于光波导的SERS信号长程探测是重点研究对象。 由于波导核折射率大于包层介质折射率, 入射光将以全反射的形式在波导核内传播。 入射光可在波导内部直接激发或产生倏逝场在包层介质间接激发SPR。 根据溶液加载方式的不同, 基于光波导的SERS信号长程探测方式可分为基于液芯光波导的SERS信号长程探测和基于固体光波导的SERS信号长程探测。

(1)基于液芯光波导的SERS信号长程探测

液芯光波导可将待测样品集中在有效光程较长的通道内并长距离累积待测样本的SERS信号。 Choi等^[34]采用液体核/液体包层的三维液芯光波导制作出便于实时检测的SERS微流体器件, 如图6(a)。 其中液体核为混合银溶胶的吡啶二羧酸溶液, 折射率为1.33; 液体包层是折射率为1.29的2, 2, 2-三氟乙醇溶液。 采用背向散射的信号收集方式, 其长程探测距离为1 cm。 该结构对吡啶二羧酸分子的检测限为5× 10^-8 mol· L^-1, 且采用该长程探测液芯光波导测得的样品分子拉曼信号强度是普通单点探测信号强度的35倍。

图6

Fig.6

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	图6 (a) 微流体通道结构示意图[34]; (b) 纳米金修饰的Teflon AF1600 微流控SERS芯片的激发和采集示意图[35]; (c) SERS芯片的原理图[36]Fig.6 (a) Schematic diagram of microfluidic channel structure[34]; (b) Schematic diagram of excitation and acquisition of nano gold modified Teflon AF1600 microfluidic SERS chip[35]; (c) Schematic diagram of SERS chip[36]

Wang^[35]课题组制备了一种金纳米颗粒修饰的集成Teflon AF1600表面液芯光波导芯片, 如图6(b)所示。 采用物理沉积法将Teflon AF1600液芯光波导集成到微通道中, 并在40 ℃的条件下对Teflon AF1600液芯光波导的内表面进行处理, 随后通过化学自组装法将金纳米颗粒原位固定在微通道内表面。 优化实验条件后, 有效光程为1.5 cm的液芯光波导芯片对R6G的检出限为1× 10^-11 mol· L^-1, SERS增强因子为2.7× 10⁸。 与微流控内的单纳米金SERS增强基底相比, R6G溶液的检测灵敏度提高了4个数量级。

激发光功率对样品存在一定影响, 光功率过大会使生物样本失去活性并破坏其结构特征, 从而干扰实验结果。 本实验团队^[36]提出了一种全反射液芯波导集成SERS芯片, 如图6(c)。 该SERS芯片利用全反射原理抑制波导泄漏模式, 理论得出距入射端大约7 mm处将获得最强的SERS信号。 在14.5 W· cm^-2的低激发功率强度下, 长度为1 cm的SERS芯片可测得1× 10^-8 mol· L^-1的R6G溶液拉曼信号, 增强因子为2.5× 10⁵。 为了确保该SERS芯片适合生物检测, 对浓度为25 μ g· mL^-1家蚕DNA溶液进行了检测, 结果表明可获得其清晰尖锐的拉曼谱峰。

Zhang^[37]等设计了一种带有两个空气孔的液芯波导结构SERS探针。 对比分析了波导耦合条件下与自由空间方式采集的拉曼散射信号, 并讨论了平均增强因子和波导收集效率等参数。 将银纳米颗粒和R6G的混合溶液用真空压力法填充到空气孔中, 通过对比不同R6G浓度、 波导长度、 Ag颗粒浓度研究SERS探针的性能。 结果表明, 当SERS探针长度为8 cm, 体积比为1:6(Ag:R6G)时性能最佳, 对R6G溶液的检出限为1× 10^-15 mol· L^-1, 增强因子达1× 10⁸。 该课题组所设计的SERS探针拥有极高的探测灵敏度, 采用外加压力的方式加载溶液对低浓度样本SERS检测具有一定的借鉴意义。

表2总结归纳了液芯光波导痕量检测相关的研究, 由于微流体与SERS热点的接触面积有极大提高, 因此基于液芯光波导的SERS信号长程探测方式具有极低的检出限。 但是在狭窄的微通道内沉积或固定贵金属纳米颗粒或薄膜存在一定困难, 同时实验操作相对复杂, 这也严重阻碍了该类型方式的发展与应用。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 液芯光波导痕量检测 Table 2 Liquid core optical waveguide trace detection 结构类型 测试样品 测试结果 参考文献 灵敏度/(mol· L-1) 长程探测距离/cm 液体核/液体包层三维液芯光波导 吡啶二羧酸 5× 10-8 1 [34] 集成Teflon AF1600表面液芯光波导 R6G 1× 10-11 1.5 [35] 全反射液芯光波导 R6G 1× 10-8 1 [36] 含空气孔液芯光波导 R6G 1× 10-15 8 [37]

表2 液芯光波导痕量检测 Table 2 Liquid core optical waveguide trace detection

(2)基于固体光波导的SERS信号长程探测

待测样品分子受激发光所产生的拉曼信号可在微纳量级的贵金属结构上得到放大, 但是由于金属具有较大的吸收损耗, 其拉曼信号的长距离传输受限。 采用金属层能量与低损耗介质耦合的方法可延长拉曼信号的传输距离, 达到SERS信号长程传输目的。 目前基于固体光波导的SERS信号长程探测主要有两种研究方式。 一种是制作不同微纳结构的贵金属薄膜或颗粒, 然后组装在介质层上来实现对样本分子的SERS信号探测; 另一种是利用仿真软件(FDTD、 COMSOL等)进行结构设计、 参数优化和性能研究。 由于该类长程探测方式是在介质与金属复合结构的表面加载待测溶液, 其加载溶液的方式相对简单, 且清洗难度相对较低。

Tang等^[38]提出了一种结合金槽波导和氮化硅条形波导的SERS基底结构, 如图7(a)所示。 FDTD软件仿真结果表明该SERS基底可以有效转换氮化硅条形波导和金槽中等离子体之间的能量, 并可实现微米量级的SERS信号长程传输且增强因子的范围为10²~10³。 实验测试结果表明该SERS基底对R6G的检出限为1.3 mol· L^-1。 该SERS基底的SERS检出限较高, 可能是因为样品分子通过物理吸附或化学吸附到金槽上其分布不均匀。

图7

Fig.7

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	图7 (a) SERS传感器的结构示意图[38]; (b)金球-槽能量耦合结构示意图[39]Fig.7 (a) Structure diagram of SERS sensor[38]; (b) Schematic diagram of gold sphere-slot energy coupling structure[39]

SERS的增强因子主要取决于拉曼活性分子位置的电场强度。 Tang等^[39]为了提高样品分子SERS检测灵敏度, 在理论上研究了金纳米颗粒对金槽波导SERS探测能力的影响, 结构如图7(b)所示。 研究发现, 由于槽内金纳米颗粒与金槽的电磁作用, 纳米颗粒周围的平均SERS增强因子可提高10⁵倍, 槽内金纳米颗粒可以提供10⁶的平均增强因子。 室温下, 该结构在0.61 μ m的有效光程内可检测到1.36× 10^-5 mol· L^-1的R6G溶液SERS信号。

周期阵列结构可以提高整体的SERS信号收集效率, Chen^[40]课题组制作了一种基于氮化钛等离激元波导和硅波导的集成SERS基底, 结构如图8(a)所示。 仿真优化并分析了其几何参数对拉曼增强的影响, 当3个氮化钛等离激元波导周期排列时, 可得到最大的能量耦合效率。 氮化钛等离激元波导与硅波导之间电磁能量相互耦合, 可以累积大约2 μ m有效光程内的样品分子SERS信号, 最大增强因子为9.7× 10⁵。

图8

Fig.8

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图8 (a) i TiN波导SERS基底结构示意图, ii TiN波导结构俯视图[40]; (b)基于混合等离子体光栅槽波导的SERS传感器示意图[41]; (c) 混合等离子体纳米聚焦波导的SERS镊子示意图[42]Fig.8 (a) i Schematic diagram of waveguide SERS base structure, ii Top view of TiN antenna structure[40]; (b) Schematic diagram of the SERS sensor based on the hybrid plasmonic grating slot waveguide[41]; (c) Schematic diagram of the SERS tweezer based on thehybrid plasmonic nanofocusing waveguide[42]

Li等^[41]设计了一种基于混合等离子体光栅的槽形波导SERS基底, 如图8(b)所示。 在入射光波长为785 nm时有较高的增强电场, 最大增强因子为7 580.9。 在最优结构参数下, 可实现大约1 μ m的SERS信号长程累积。 由于狭窄区域的局域电场会有显著提升, Li等^[42]研究了一种基于混合波导的SERS镊子结构, 结构如图8(c)所示。 该结构能够压缩模场, 在增强电场的同时稳定捕获直径为20 nm的样品颗粒。 仿真结果表明, 来自氮化硅条形波导的电场模式能够高效耦合并聚焦到金槽中, 其耦合长度为350 nm。 优化后槽宽为30 nm的SERS镊子在激发功率仅为20 mW的条件下, 增强因子可达8 462.49。 为进一步提高其SERS性能, 该课题组^[43]在混合等离子体槽波导中以布拉格光栅和金挡板作为反射镜构建了等离子体-介质谐振腔, 利用光栅反射激发光进行反向二次耦合, 在腔内电场得到大幅增强的同时能量耦合效率相应提高。 结果表明该结构的增强电场与不含谐振腔的结构相比提高了8.8倍, 但其耦合距离较短, 仅为纳米量级。

可以看出, 基于固体光波导的SERS信号长程探测方式的SERS探测灵敏度较低。 原因可归结为(1)贵金属层对能量的吸收损耗过大, SERS信号不能长距离传输; (2)该类型探测方式的结构尺寸在微纳量级, 制作工艺要求严格。 目前基于固体光波导的SERS信号长程探测方式的研究大多处于理论和仿真分析阶段。