近日，我院劉曄教授團隊在高性能光纖SERS探針的可控制備方面取得進展，并在學(xué)校T類二級期刊Applied Surface Science（中科院一區(qū)TOP）上發(fā)表了題為《Stick-slip-motion-assisted interfacial self-assembly of noble metal nanoparticles on tapered optical fiber surface and its application in SERS detection》的論文。
表面增強拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）光譜利用貴金屬納米顆粒的局域表面等離子體共振效應(yīng)實現(xiàn)拉曼信號的極大增強，是當(dāng)前拉曼光譜技術(shù)的重要發(fā)展方向。SERS增強基底是實現(xiàn)高靈敏SERS檢測的關(guān)鍵。目前常用的SERS增強基底主要有貴金屬納米顆粒溶膠和固態(tài)SERS基底兩大類。然而，貴金屬納米顆粒溶膠中顆粒沉降及隨機分布會較大影響SERS光譜檢測重復(fù)性，且單分散顆粒的SERS增強因子較低；而固態(tài)SERS基底雖然采用微納加工技術(shù)制備出的周期性結(jié)構(gòu)能夠一定程度提高光譜檢測重復(fù)性，但存在制備成本高、制備難度大等問題。如何同時實現(xiàn)SERS光譜的高穩(wěn)定性、高靈敏度檢測是SERS光譜技術(shù)真正走向?qū)嵱没年P(guān)鍵。
劉曄教授團隊近年來嘗試將光纖傳感技術(shù)與SERS光譜檢測相結(jié)合，通過將貴金屬納米顆粒或結(jié)構(gòu)制備在光纖表面并將拉曼激發(fā)光和SERS信號光均耦合至光纖中傳輸（即光纖同時用作的光傳輸通道和SERS敏感單元），一方面，光纖中傳輸?shù)睦ぐl(fā)光可實現(xiàn)SERS敏感區(qū)域的SERS信號的整體激發(fā)，有效增大SERS相互作用面積，利于提高檢測靈敏度；另一方面，整個SERS敏感區(qū)域內(nèi)落在光纖數(shù)值孔徑內(nèi)的SERS信號將被光纖收集，并由光纖傳輸至光譜儀進行檢測，該SERS信號的積分收集效應(yīng)有望較大程度提高SERS光譜的檢測重復(fù)性和穩(wěn)定性。
前期，團隊針對平端面光纖結(jié)構(gòu)，先后發(fā)展了激光誘導(dǎo)蒸發(fā)自組裝法（ZL201811144372.6,ZL201811414826.7）、激光誘導(dǎo)一步提拉法（ZL201811144266.8）、飛秒激光誘導(dǎo)還原法（ZL201811342587.9）等多種制備方法，在光纖平端面制備出具有大SERS增強的納米結(jié)構(gòu)（如圖1所示），例如納米顆粒鏈狀結(jié)構(gòu)（Nanoscale, 2016, 8, 10607）、微咖啡環(huán)納米結(jié)構(gòu)（Sensors and Actuators: B. Chemical, 2019, 299, 126990）、納米顆粒團簇結(jié)構(gòu)（Optics Express, 2020, 28, 6649; Optics Express, 2022, 30, 15846）等，顯著提升了液相原位SERS光譜檢測的靈敏度和重復(fù)性。
圖1、團隊前期制備的各種規(guī)格光纖平端面SERS探針
最近，為了進一步提升光纖SERS探針的檢測靈敏度，針對具有更大相互作用面積的錐形光纖結(jié)構(gòu)，團隊在實驗上發(fā)現(xiàn)了一種新穎的激光誘導(dǎo)下錐形光纖與納米顆粒溶膠間形成的彎液面的粘滑運動，并基于此發(fā)展了“粘滑運動輔助的界面自組裝法”，成功在光纖錐面制備出納米顆粒環(huán)狀分布的光纖SERS探針（如圖2所示）。得益于每個納米顆粒環(huán)中包含的數(shù)量眾多的納米顆粒團簇結(jié)構(gòu)提供的大SERS增強因子，以及探針的SERS整體激發(fā)與積分收集效應(yīng)，該類錐形光纖SERS探針展現(xiàn)出高的液相原位檢測靈敏度（結(jié)晶紫溶液：2.0 × 10-10 M，孔雀石綠溶液：1.0×10-9 M，福美雙溶液：1.0×10-9 M）和優(yōu)良的光譜檢測重復(fù)性（RSD <6%），從而在生物醫(yī)藥、食品安全、環(huán)境檢測等領(lǐng)域的液相原位光譜檢測應(yīng)用中具有重要應(yīng)用前景。
圖2、錐形光纖SERS探針制備及光譜檢測
相關(guān)研究工作獲得國家自然科學(xué)基金面上項目、國家重點研發(fā)計劃項目子課題、廣東省自然科學(xué)基金面上項目、廣東省普通高校重大研究項目、東莞理工學(xué)院青年科研團隊等項目的支持。
相關(guān)研究文章鏈接：
1、https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0169433222018323
2、https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S092540051931189X
3、http://xlink.rsc.org/?DOI=C5NR06773A
4、https://opg.optica.org/oe/abstract.cfm?uri=oe-30-10-15846
5、https://www.osapublishing.org/abstract.cfm?URI=oe-28-5-6648
（撰稿、一審：劉曄；二審：李艷霞；三審：胡耀華）
