清华大学纳米中心开发可规模化生产的SERS基底，助力高灵敏度临床检测 Adv Mater Interfaces | 用户成果速递

01. 核心材料与制备工艺

该芯片以硅片为基底，采用超顺排碳纳米管（SACNT）网络作为刻蚀掩膜，通过无掩模刻蚀技术在硅表面构建出数十纳米级的准周期性交叉线结构。这种结构的优势在于可规模化制备——研究团队已实现 4 英寸硅晶圆级生产，且单个芯片单元尺寸为 5×5 mm，适合批量制造。刻蚀完成后，芯片表面会沉积一层 100 nm 厚的金膜，金的纳米结构能形成高密度 “热点”，显著增强分子的拉曼信号。

图1. SERS 衬底的显微镜与 SEM 图，以及金硅纳米结构的局部细节
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02. 双重功能设计

硅基底在检测中扮演 “双重角色”：一方面作为支撑结构承载金纳米热点，另一方面其自身在 520.7 cm?1 处的拉曼信号稳定且可重复，能作为外部参考标准，有效提升定量检测的准确性。这种设计解决了传统 SERS 检测中信号波动的难题当——以硅信号为参考时，检测偏差可控制在 5% 以内，而未引入参考标准时偏差达 12.21%。

图2.使用 BPE 分子来验证所制备的 SERS 芯片的定量分析能力
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01. 高灵敏度与检测极限

研究人员以 BPE 为模型分子测试芯片性能，结果显示其对 BPE 的检测限可达 10?12M（相当于 1 升溶液中含约 0.3 微克 BPE），且在 10??M 至1 0?12M 浓度范围内，特征峰强度与浓度呈现良好的线性关系（相关系数 0.9827）。这种高灵敏度源于芯片表面高密度的热点分布——每平方毫米内的交叉结构热点数量可达数百万个，增强因子超过 10?。

图3.不同浓度的柠檬酸咖啡因的拉曼光谱
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02. 临床应用：早产儿药物监测的探索

在针对早产儿呼吸暂停（AOP）的治疗中，枸橼酸咖啡因的血药浓度需严格控制在 8-30 mg/L。但在临床应用中，由于针对新生儿的采样难度高等原因，对其血药浓度的检测十分困难，这种有效检测手段的缺乏也给 AOP 的治疗造成了极大的阻碍。研究团队用人工尿液稀释药物，测试芯片对咖啡因的检测能力，发现在 2-1000 mg/L 浓度范围内，505.2 cm?1 处的特征峰与硅信号的比值和浓度呈线性相关（相关系数0.90838）。更重要的是，在临床样本测试中，芯片检测结果与色谱-质谱法具有高度一致性，为床边快速检测提供了可行性。

图4.使用 HORIBA LabRAM HR800 显微激光共聚焦拉曼光谱仪和便携拉曼光谱仪结合 SERS 基底获取的尿液中柠檬酸咖啡因拉曼光谱。
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