光纤SERS传感器结构及典型应用

黄博,汪正坤,张洁

(重庆大学光电技术及系统教育部重点实验室,重庆 400044)

1 引 言

1928年,印度物理学家C.V.Raman发现了一种非弹性光散射效应,他将其称为拉曼散射。拉曼散射可视为光子与分子内的振动或转动原子团之间的能量交换,不同种类的分子将导致光子吸收或释放的能量存在特定差异,利用这一特性,可以实现对物质的结构或成分进行快速、准确、非侵入性的特异性识别。此外,拉曼光谱技术可以将原本位于红外区域的分子振动谱移至可见光范围[1],为实验观测提供了很大的便捷。然而,拉曼散射截面的数量级为10-30cm2,存在着激发效率低,信号弱和信噪比较低等缺点,限制了拉曼光谱技术的进一步发展和应用[2]。

1974年,英国物理学家M. Fleischmann在测量粗糙银电极上吡啶分子的拉曼光谱时发现了SERS现象[3],这一发现巧妙地弥补了传统拉曼散射方法的一些不足之处,进一步拓展了拉曼光谱的应用和研究领域。图1显示了2008年至2022年逐年发表的涉及关键词“SERS”的各种研究和应用论文数量(数据来自Web of Science),可见SERS相关的研究论文数量递增趋势明显。与其他常规技术相比,SERS技术具有无标签、高灵敏度、低检测极限、高选择性、高光稳定性和较窄的光谱宽度,已被证明是一种极具潜力的快速、特异性光谱分析技术。因此,SERS技术已被广泛用于化学分子/离子分析、环境污染物监测,药物分析、免疫分析和生物标志物检测等领域[4-10]。然而,受到制备方法、材料和配套设施的限制,基于传统硅衬底的SERS技术在实际应用中仍面临以下几个问题:(1)拉曼信号的获取仍依赖于室内大型分析仪器和设备,无法实现原位、远距离、体内的监测和分析;(2)传统硅衬底的SERS基底体积相对较大,不符合微型化、小型化和集成化的发展趋势,且难以和其他通用传感平台兼容,例如微流控平台等;(3)因受限于背景荧光和蒸发速率的影响,难以实现液体样品的实时、在线、快速的现场检测。

图1 2008至2022年Web of Science数据库中与关键词“SERS”和“Fiber SERS”相关的年论文数量Fig.1 Number of papers related to the keyword "SERS" and “Fiber SERS” in the Web of Science database from 2008 to 2022

光纤凭借其卓越的光学性能,正逐渐成为优异的化学和生物传感平台[11-13]。光纤SERS传感器是将微纳米尺度的金属功能化材料与光纤进行集成,以实现小型化、先进的全光纤传感器,它特别适用于物质分析和生物传感领域。在图1中可以看出,2008年至2022年,关于“Fiber SERS”的论文数量逐年呈上升趋势(数据来自Web of Science),随着技术和理论进一步地创新和发展,光纤SERS传感器有望广泛应用于环境监测、化工、诊断、食品安全、国防、医疗保健等多个领域,成为下一代等离子体纳米传感器的核心部件或关键技术。

2 光纤SERS传感器的国内外研究现状

2.1 光纤SERS传感器的分类

光纤SERS传感器种类繁多,可根据不同的标准,如测量方式、技术原理、敏感材料、应用领域、使用目的等进行分类(图2)。根据光与物质相互作用的位置,将光纤SERS传感器分为三类:(1)光纤端面SERS传感器;(2)光纤表面SERS传感器;(3)内嵌型光纤SERS传感器。图2展示了上述三种类型的光纤SERS传感器示意图(图2(a)-(c))及以锥形光纤光纤SERS传感器为例的拉曼测试系统示意图(图2(d))。

图2 三种不同类型的光纤SERS传感器:(a)光纤端面SERS传感器;(b)光纤表面SERS传感器;(c)内嵌型光纤SERS传感器。(d)以锥形光纤SERS传感器为典型代表的拉曼测试系统示意图Fig.2 Three representative types of fiber-optic SERS sensors: (a) end-facet optical fiber SERS sensor, (b) surface optical fiber SERS sensor, and (c) embedded optical fiber SERS sensor. (d) Schematic diagram of Raman testing system with tapered optical fiber SERS sensor as a representative example

2.1.1光纤端面SERS传感器

光纤端面SERS传感器是指将贵金属纳米粒子沉积在光纤末端所制成的传感器,主要分为平端面、斜端面和锥形尖端三种类型。根据光纤的波导特性,从末端直接输出的光场和沉积在末端的等离子体材料发生相互作用,极大地增强了传感探头附近传感器分子的拉曼辐射,由此产生的反向拉曼散射光信号又通过光纤本身经由端面传输到光谱分析系统。该类传感器具备便捷、结构紧凑、设计灵活、灵敏度高等优点。

平端面光纤SERS传感器:2010年,加拿大维多利亚大学的Andrade等人[14]通过层层自组装的方法将银纳米粒子沉积在光纤的端面上,制成了具有超低浓度检测性能的光纤SERS传感器,如图3(a)所示。2011年,美国佐治亚大学的Zhu等人[15]利用定制的高真空电子束蒸发器以倾斜气相沉积的方式将银纳米棒阵列(AgNRs)沉积到光纤探头的平端面上,制成了高灵敏度的光纤SERS传感器。2016年,深圳大学的Yin等人[16]利用飞秒(Femtosecond,fs)激光刻蚀光纤端面制成具有微光栅结构的粗糙表面,后利用金属胶体纳米颗粒自组装技术将银纳米粒子沉积在粗糙光纤端面制成光纤SERS传感器。他们通过实验表明利用该技术所制成的光纤SERS传感器比激光诱导法制成的光纤传感器对罗丹明6G(Rhodamine 6G,R6G)分子的拉曼增强性能提高了约32倍。2019年,加拿大瑞尔森大学的Pandya等人[17]利用可调谐的纳米微球光刻技术在光纤端面制作了等离子体纳米结构阵列用于SERS检测。2020年,欧洲非线性光谱学实验室(LENS)的Credi等人[18]在低成本的聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)上进行金纳米棒和金纳米星的沉积和组装,成功地实现了可逆耦合的新型帽状光纤SERS传感器。2021年,匈牙利塞格德大学Kohut等人[19]通过改进的低压惯性冲击器,将利用电火花产生的银纳米颗粒简单地沉积在光纤的平端面上,制备了一种简单、低成本、可批量化生产的光纤SERS传感器。2021年,武汉理工大学的Long等人[20]采用SnCl2敏化辅助水热法成功制备了灵敏度高、重现性好的SERS光纤传感器。2022年,东莞理工大学的Wang等人[21]开发了一种激光诱导动态浸涂法,成功地在光纤末端制备了金纳米棒簇用于复杂的食用油体系的SERS检测。

图3 不同类型的光纤SERS传感器:(a)平端面光纤SERS传感器示例[14];(b)斜端面光纤SERS传感器示例[22];(c,d)锥形光纤SERS传感器示例[24,28];(e)D形光纤SERS传感器示例[40];(f)U形光纤SERS传感器示例[44];(g)双锥形光纤SERS传感器示例[45];(h)内嵌型光纤SERS传感器示例[53]Fig.3 Several typical optical fiber SERS sensors: (a) fiber-optic SERS sensor with flat end facet[14], (b) fiber-optic SERS sensor with inclined end facet[22], (c and d) tapered fiber SERS sensor[24,28], (e) D-shaped fiber SERS sensor[40], (f) U-shaped fiber optic SERS sensor[44], (g) biconical fiber optic SERS sensor[45], (h) embedded fiber optic SERS sensor[53]

斜端面光纤SERS传感器:2022年,东南大学Pan等人[22]设计并开发了一种对pH敏感的斜切面SERS有源光纤传感器,如图3(b)所示。他们先利用激光加工技术获得光纤斜切面,后在斜切面5 mm处用激光蚀刻一个孔洞,将其洗涤后插入金纳米壳悬浮液中静置,待悬浮液中金纳米壳进入光纤孔洞中,最后,将SERS有源光纤浸泡在4-巯基苯甲酸(4-mercaptobenzoic acid,4-MBA)溶液中12小时,即可得到pH敏感的SERS有源光纤传感器。

锥形光纤SERS传感器:2010年,意大利米兰理工大学的Pesapane等人[23]探究了锥形光纤表面银纳米粒子的可逆吸附和解离的机制和方法,该方法解决了锥形光纤SERS传感器的可重复使用问题。2015年,重庆大学的Zhang[24]等人利用氢氟酸蚀刻法得到锥形光纤,并采用化学沉积法将银纳米粒子组装到光纤的锥形端,如图3(c)所示,她们实现了对浓度为10-7mol/L R6G的检测。2020年,浙江理工大学的Morozov等人[25]对锥形光纤表面不同空间构型的金纳米颗粒分布进行了超短脉冲传播的三维计算实验。2021年,重庆大学的Li等人[26]制备了银纳米颗粒修饰的锥形光纤并实现了对R6G浓度为10-10mol/L的检测。同年,同课题组的Yu等人[27]对银纳米颗粒的修饰方法进行了改进,实现了对R6G检测浓度量级的提升。在此基础上, Wang等人[28]制备了利用金属腔增强AgNPs装饰的锥形光纤传感器,他们首先将锥形光纤进行AgNPs修饰,将其放在一个金属管内,再在其尖端之前放置一金属棒形成反射截面,从而制备出具有腔增强属性的SERS传感器,并实现了对R6G的低浓度检测,如图3(d)所示。同年,武汉理工大学的Yu等人[29]将多元醇法合成的立方体银纳米粒子沉积在锥形光纤表面制成高灵敏度光纤SERS传感器。他们的研究表明,具有立方体银纳米粒子修饰的锥形光纤SERS传感器对结晶紫(Crystal violet,CV)的检测极限比同等条件下的平端光纤SERS传感器高出一个数量级。

除了上述几个在光纤平端面上沉积金属纳米簇/阵列用于制备光纤SERS传感器的例子外,还有许多类似的方法或手段用来制备光纤SERS传感器[30-33],它们共同的优点是体积小、成本低、简单便捷、可重复性高[34-37],因此端面型光纤SERS传感器是未来光纤SERS器件的主流发展方向。

2.1.2光纤表面SERS传感器

光纤表面SERS传感器是指将光纤的一部分去除包层和纤芯后,利用倏逝波和等离子体材料发生相互作用来增强拉曼信号的传感器,形状上区别于上述介绍的光纤端面SERS传感器。目前,已有不同种类的传感器,如D形、U形和双锥形等传感器类型,本节对近几年来该类传感器在新型材料复合及制备技术等方面的最新进展进行一些归纳和总结。

D形光纤表面SERS传感器:2016年,深圳大学的Yin等人[38]制备了一种D形光纤SERS传感器。他们采用飞秒激光加工的方式制备了D形光纤结构,后利用光诱导的方式将银纳米粒子沉积在D形光纤表面制成光纤SERS传感器。2022年,山东理工大学的Man等人[39]提出了一种具有二硫化钼(MoS2)作为间隔层的金-银双金属层复合结构的D形塑料光纤SERS传感器。2023年,重庆大学的Huang等人[40]将D形光纤和多通道微流控芯片进行结合,制备出了具有多路复用性能且灵敏度较高的SERS传感器,如图3(e)所示。

U形光纤表面SERS传感器:2016年,印度马德拉斯理工学院的Christopher等人[41]提出了一种基于U形塑料光纤三明治结构的SERS生物传感器,实现了良好的SERS检测效果。2016年,深圳大学的Yin等人[42]利用飞秒激光器在靠近端面的光纤侧壁上刻蚀出U形槽,后通过紫外光还原的方法将银纳米粒子自动吸附到槽内制成SERS传感器。他们通过实验表明U形SERS传感器比同等条件下平端面SERS传感器的拉曼增强性能高4倍。2018年,印度理工学院的Danny等人[43]研制了用于SERS传感的弯曲U形塑料光纤(Plastic optical fiber,POF)传感器。2019年,印度理工学院的Manoharan等人[44]提出了一种原位生长技术,开发了一种高灵敏度的等离子体U形石英光纤SERS传感器,如图3(f)所示。他们创新性地通过倏逝波吸收光谱响应来实时监测和控制金和银纳米颗粒与胺基化U形光纤的结合和生长,从而获得具有最佳SERS性能的U形光纤SERS传感器。

双锥形传感器:2011年,上海大学的Bai等人[45]提出了一种基于双锥形多模光纤(Multi-mode fiber,MMF)的SERS光纤传感器,如图3(g)所示,该类传感器的主要优点是能提供强大的倏逝场,有效地激发光纤表面金属纳米粒子的局域表面等离子共振效应,同时较长的锥区增加了光与物质相互作用的长度和面积。作为一种性能良好的传感器,双锥形光纤可以被耦合到现代的许多传感与通信技术中,例如微流控芯片,分布式光纤传感器,空间光通信耦合系统等,它不仅保留了光纤原有的优点,其特殊的锥区结构也产生了独特的模间耦合、非线性效应、光纤模间色散等光学特性[46]。

2.1.3内嵌型光纤SERS传感器

内嵌型光纤SERS传感器是指将具有拉曼活性的贵金属纳米粒子沉积在空芯光子晶体光纤(Photonic crystal fiber,PCF)的芯区内壁,或者泛化为将空芯光纤芯区作为拉曼信号增强通道的传感器,即空芯光纤既视为波导,也是液体/气体传输单元。空芯光子晶体光纤的传播特性主要取决于芯区的直径和外围空气孔的直径、填充比和排布,只有满足特定Bragg条件的波长才能在光纤中传播,故对波长具有选择性[47]。此外,光子晶体光纤的工作波长大多处于近红外波段(850-1550 nm),而用于拉曼实验的激光器波长以及对应的拉曼光波长都处于可见光波段[48],因此在使用此类光纤需注意对光纤的芯径及空气孔的大小和排布进行精心的设计以使得拉曼光和入射光的波长都处于带隙内,常见的方法是减小包层空气孔的填充比或对空气孔进行填充或加热塌陷[49-51],达到改变包层的有效折射率从而改变光子晶体光纤传输特性的目的。对于以毛细管为代表的空芯光纤(Hollow core fiber,HCF),为使光线可以在芯区长距离地传播,需要在中空的芯区填充折射率大于邻近包层的液体以满足全反射条件,或者在中空芯区内壁上镀上一层金属层,利用金属的高反射率将光线限制在芯区内传播。近年来,研究人员相继提出了许多将光子晶体光纤和空芯光纤作为载体的拉曼传感器,与其他的拉曼增强技术相比,该类SERS传感器易于清洗且无残留,具备可重复使用的优点,因此适用于实时、在线物质监测,可用于安全监测、食品监测、水质监测等领域。

2010年,美国史蒂文斯理工学院的Han等人[52]尝试将两种PCF(固体芯PCF和空芯PCF)和SERS结合起来构建了光流控平台用于痕量液体的检测。2015年,德国莱布尼茨光子技术研究所的Hanf等人[53]采用微结构PCF作为拉曼检测的载体,通过精心设计的全套气体检测与分析系统实现了混合气体(H2, CH4, N2, N2O)的多目标检测,如图3(h)所示。此外,他们将微结构PCF与可调像平面的针孔相结合,实现了二氧化硅背景噪声中H2的拉曼信号的分离,将灵敏度提高到4.7 ppm。2019年,南京大学的Wang等人[54-56]在以毛细管空芯光纤为载体构建的SERS传感器方面开展了一系列相关的工作。

未来基于空芯微结构光纤系统的全光纤在线拉曼传感器在医学、生物学、分子动力学等方面具有巨大的潜力。然而,空芯光纤中如光子晶体光纤的选择性填充和匹配不同条件下拉曼检测的芯层和空气孔的设计和制备,以及空芯光纤内镀金属膜的不均匀所造成的散射损失等问题还需要进一步地研究和优化。此外,光纤本身的背景荧光噪声会降低待测分子的检测极限,因此开发新的技术以降低检测过程中的背景噪声,提高拉曼信号的信噪比也尤为重要。

2.2 光纤SERS传感器的制备

表面增强拉曼散射起源于金属/介质界面处或贵金属纳米颗粒表面的局域场增强,目前围绕着传统硅衬底的SERS“热点”的构建,已有大量关于金属纳米颗粒的合成及加工方法的文献报道。常见的金属纳米颗粒的合成大致可分为化学合成和纳米制造,前者主要是利用还原剂在液相环境中还原如硝酸银、氯化银等氧化剂以获得悬浮态的银纳米颗粒溶胶,随后滴加至预处理后的硅片上获得咖啡环状的银纳米颗粒团簇或特定形貌的金属纳米颗粒分布。该方法具有成本较低、耗时较少、可大面积、大批量制备的优点,但所制成的SERS基底的均匀性、可重复性等难以控制。为提高SERS基底均匀性和稳定性,研究者们应用近年来快速发展的直写、沉积、压印等纳米制造技术来控制金属纳米颗粒的形状、大小及分布,如常用的聚焦离子束刻蚀(Focused ion-beam lithography,FIB)、电子束刻蚀(Electron-beam lithography,EBL)、反应离子束刻蚀(Reactive ion etching,RIE)、飞秒激光器直写、相干刻蚀(Interference lithography,IL)、原子层沉积(Atomic layer deposition,ALD)、分子束外延(Molecular beam epitaxy,MBE)、真空蒸镀和磁控溅射(Physical vapour deposition,PVD)等技术(表1为常见SERS基底的制备技术及其优缺点的归纳),制成了大量图案化的SERS基底,如金属纳米柱、纳米锥、纳米球、纳米孔、蝴蝶天线等周期性阵列。此类SERS基底的制备技术受限于衍射极限,使得纳米间隙难以降至10 nm以下,因此在一定程度上牺牲了基底的灵敏度,然而大大提高了基底的均匀性和稳定性。

表1 常见SERS基底的制备技术及其优缺点Table 1 Typical SERS substrate preparation techniques and related advantages and disadvantages

由于光纤具有较大的横纵比及较小的直径(微米量级),且具有绝缘特性,对于电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀等直写技术,光纤作为非常规的衬底,通常需要额外的固定和操纵步骤。

2011年,美国阿拉巴马大学的Lin等人[57]运用EBL技术和Ar2+离子反应蚀刻(RIE)技术在光纤端面制备了金纳米点周期性阵列用于SERS传感,如图4(a)所示。类似地,2012年,北京理工大学的Feng等人[58]利用EBL在光纤端面上制作了金同心环形光栅结构,2022年,意大利生物分子纳米技术中心的Collard等人[59]利用FIB铣削技术成功地在光纤端面制作了金属纳米光栅和纳米孔阵列结构,并成功地应用于SERS检测。此外,他们还利用电子束蒸发、沉积的方式在光纤端面沉积一层金膜,随后放置在马沸炉中升温至600 ℃并保持1小时,随后在室温下冷却完成退火过程,成功地获得了光纤端面金纳米岛SERS传感器。

图4 采用不同方法制备的光纤SERS传感器:(a)电子束刻蚀技术(EBL)[57];(b)纳米微球光刻技术[60];(c)飞秒激光器(fs)[61];(d)纳米压印光刻技术(NIL)[65];(e)相干光刻技术(IL)[66];(f)3D打印技术[70];(g)纳米转移技术[71];(h)金属胶体纳米颗粒自组装技术[73];(i)光诱导蒸发沉积技术[75]Fig.4 Fiber-optic SERS sensors prepared by different methods: (a) electron beam lithography (EBL) technology[57], (b) nanosphere lithography technology[60], (c) femtosecond laser (fs)[61], (d) nanoimprint lithography (NIL) technology[65], (e) coherent lithography ( IL) technology[66], (f) 3D printing technology[70], (g) nanotransfer technology[71], (h) self-assembly technology[73], (i) light-induced evaporation deposition technology[75]

上述利用电子束/离子束刻蚀技术制作纳米阵列或图案依赖于特制的掩膜版,耗时且昂贵,为减少成本和时间,研究者们利用低成本且易于操作的自组装技术将微球沉积在光纤端面,随后将镀有微球的光纤端面进行金属化后借助等离子体刻蚀和超声处理来制备不同形状的纳米图案阵列,即纳米球光刻技术。2017年,意大利萨尼奥大学的Pisco等人[60]利用聚苯乙烯微球的自组装技术、金属热蒸发和FIB技术在光纤端面制作了金纳米帽、金纳米孔和金纳米三角形阵列并用于SERS检测,如图4(b)所示。

飞秒激光器有着超短脉冲、瞬时高功率、精确定位性、热影响小等优点,它的应用口径广,可对金属、介质、高分子材料、生物组织进行微细加工,同时具备单点式扫描和并行式的加工能力,在超微细加工的领域中有着极为有价值的应用前景。2009年,美国密苏里科技大学的Lan等人[61]成功将飞秒激光微加工技术应用在光纤(105/125 μm)SERS传感器的制备上,如图4(c)所示。2010年,美国马萨诸塞大学的Ma等人[62]利用飞秒激光微加工技术对光纤端面进行刻蚀,获得均匀排列的线光栅形貌,后通过热蒸发技术在其表面沉积20 nm的银膜制成了SERS传感器。2012年,美国密苏里科技大学Lan等人[63]利用飞秒激光微加工技术对光纤的侧面进行刻蚀,获得一种D形形貌,随后对其金属化后制成了用于SERS检测的光纤传感器。

NIL技术是一种利用材料的机械性能来大批量复制纳米图案的技术,需要经历压模、脱模和刻蚀等步骤,是一种低成本、高分辨率、高保真、高产量的方法。将该技术应用于光纤SERS传感器的制备,不仅保留了NIL原有的优势,更将NIL技术的应用范围进一步拓宽,只需简单的几个步骤就可以批量化地在光纤端面制备精细化的周期性亚微米金属图案,具有极高的性价比。2009年,根特大学的Scheerlinck等人[64]利用了一种基于紫外固化的纳米压印和转移光刻(Nanoimprint transfer lithography,NITL)技术在光纤端面制备了金纳米线周期性阵列。作为纳米压印技术的直接应用案例,2011年,澳大利亚皇家墨尔本理工学院的Kostovski等人[65]利用一种便携式的自对准纳米压印模块同时实现了将AAO模板的周期性纳米阵列和蝉翼状纳米阵列的互补图案在光纤端面的加载,如图4(d)所示。

IL可在无掩膜版条件下利用两束或更多相干光束在光刻胶上形成精确周期性的干涉图案,借助刻蚀技术(如RIE)将纳米阵列图案转移至衬底上。1999年,美国德克萨斯州阿灵顿理工大学的Tibuleac等人[66]首次将干涉光刻技术应用于图案化的光纤传感器的制备,如图4(e)所示。2012年,美国加州大学的Yang等人[67]利用IL技术和RIE技术成功地在常规多模光纤的端面上制备了纳米柱阵列(直径为160 nm,间距为317 nm),随后将60 nm的银膜沉积至阵列表面制成光纤SERS传感器。2016年,巴西潘帕联邦大学Armas等人[68]采用IL技术在光纤端面制备了金纳米孔阵列并用于SERS检测,他们选择550 nm厚的正性光刻胶层(SC-1827, Room and Haas),在相同的干涉条纹下曝光两次,用显影剂清洗后采用热蒸发的方式沉积一层80 nm的金膜,最后用丙酮去除剩余的光刻胶后获得光纤端面金纳米孔阵列。

3D打印直写技术是近年来新兴的一种无掩模的微型打印技术,具有极高的分辨率(横向分辨率可达100 nm,轴向分辨率可达300 nm),通常由提供强近红外fs脉冲的激光器、光刻胶、精确的3D纳米级位移台和控制程序完成,其原理是通过计算机对激光光斑的焦点进行精确的三维扫描诱导双光子吸收发生定点聚合。3D打印直写技术不仅可以制造传统方法无法实现的复杂特征,而且还提供了出色的多样化功能,因此在微纳光子学、微流体、微力学和微机器人等领域迅速普及和发展。2015年,首都师范大学Xie等人[69]采用纳米级3D打印、热蒸发和紫外激光脉冲技术在光纤表面制备了三维雷达状的等离子体结构用于SERS信号的激发。2020年,伦敦帝国理工学院的Kim等人[70]利用双光子聚合技术在光纤端面制备了纳米点阵列(周期为700 nm)和十字尖峰阵列(周期为2.8 μm),随后金属化(50 nm金膜)后制成SERS传感器,如图4(f)所示。

为简化光纤SERS传感器的制造工艺,研究人员在上述纳米制造方法的基础上逐渐开发出一种易操作的纳米转移技术。首先利用离子束/电子束刻蚀的方法在平面衬底上制备金属纳米阵列,后通过范德华力、UV胶或环氧树脂等粘合的方式将平面衬底的纳米结构转移至光纤端面。2011年,哈佛大学的Lipomi等人[71]提出一种基于物理切片法的光纤端面金属纳米阵列转移方法,如图4(g)所示。2018年,北京理工大学的Wang等人[72]首先在铟锡氧化物(ITO)玻璃基板制造了周期性的等离子体结构,后通过PDMS材料将结构转化为柔性薄膜,最后通过高温退火的方法成功地将周期性金属纳米结构转移至光纤端面上,该策略可以用于制备高质量的等离子体光纤端面光子器件。

除了上述可用于制备周期性纳米阵列的技术和方法,低成本、简单有效的技术,如金属胶体纳米颗粒自组装[73]、激光诱导化学沉积[74]、光诱导蒸发沉积[75]、高压釜反应等方法也可用于光纤SERS传感器的制备,如图4(h)和(i)所示。然而,利用上述简易的方法制备的光纤SERS传感器虽然可以极大节约时间和成本,但沉积在光纤表面的金属纳米颗粒的直径和分布均不可控,导致传感器的重复性、稳定性均较差,难以大规模、批量化地应用。为尝试解决这一难题,2019年,东莞理工大学的Liu等人[76]利用可编程浸渍涂布机实现了微咖啡环光纤SERS传感器的自动、可重复性制备,结果表明传感器在SERS检测中表现出较高的灵敏度和良好的再现性。

综上所述,目前光纤SERS传感器的制备得益于现代纳米加工技术和金属纳米颗粒合成方法的进步和改进,器件的设计、制造、使用等方方面面都取得了长足的进步,正朝着集成化、微型化、多功能化、智能化的最终目标持续发展。随着社会和科技的进步,不断涌现的实际需求为光纤SERS传感器发展带来机遇的同时也带来了一些挑战,故应开发大规模、标准化的设备和工艺来提高产量和降低成本,扩展多功能材料和器件在光纤端面的集成,以及多芯光纤、少模光纤、光子晶体光纤等特种光纤在光纤SERS传感器的应用等,一旦上述的问题得到解决,光纤SERS传感器将进一步为生物医学、环境监测、食品安全等领域的发展提供助力和有利条件。

3 光纤SERS传感器的应用

在传感器的实际应用中,常常要求传感器具备实时、在线、快速、体积小、生物相容性好、灵敏度高、特异性好、多路复用等能力。例如,在临床医学中,常需要对血液中致病的病原体相关的多个靶点进行特异性识别和高灵敏度探测,这对于许多疾病的早期诊断和治疗至关重要,通常需要使用能够同时识别和区分复杂样品中的大量生物成分且微创的检测方法;在危险化学品(如TNT,甲烷,氢气等)的实时动态检测中,要求传感器不产生电火花且具备远距离遥测能力;在药物监测中,非法药物测试或药物输送监测系统要求具备高灵敏度、高精度和快速的样品切换能力等。对上述应用场景,光纤SERS传感器无疑是众多传感器类型中最为理想的候选者之一。

3.1 光纤SERS传感器在生物医学领域的应用

在生物医学领域,2010年,美国杜克大学的Tuan等人[77]开发了一种等离子体光纤纳米传感器,用于测量单个活细胞的pH值。该传感器避免了传统细胞内pH值检测方法中的纳米颗粒摄取、细胞内定位和喷射等问题,通过测量和检测正常人类乳腺上皮细胞和人类PC-3前列腺癌细胞的pH值验证了该SERS纳米传感器的有效性和实用性。2017年,中国科学院长春光学精密机械与物理研究所的Li等人[78]制作了一种新型光纤拉曼传感器,用于定量测量甲胎蛋白(α-fetoprotein,AFP,一种癌症生物标志物)。为验证该传感器的性能,他们将光纤传感器插入到预先注射不同浓度SERS标签物的小鼠静脉中,完成了对甲胎蛋白的原位、实时和活体检测。2021年,哈尔滨工程大学的Gao等人[79]提出了一种新型的自组装氧化石墨烯/丙烯酸酯/AgNPs修饰的空芯光纤拉曼传感器,用于检测生物血液中的腺嘌呤,如图5(a)所示,他们成功地实现了样品中痕量腺嘌呤分子的检测,检测极限约为1×10-14mol/L。2022年,香港理工大学的Zhang等人[80]使用一种可见光范围内的打印技术,成功地将金纳米颗粒(AuNPs)打印在标准多模光纤端面上制成微型光纤尖端生物传感器,用于检测2019新型冠状病毒(SARS-CoV-2)的DNA序列,检测极限为0.8 pmol/L。

图5 光纤SERS传感器的几种典型应用。在生物医学领域:(a)用于生物血液中腺嘌呤的检测[79];在药物分析领域:(b)用于氯喹和甲氟喹检测[81];在环境检测领域,(c)用于空气中氮、氧和二氧化碳以及混合蒸汽(甲苯、丙酮和1,1,1-三氯乙烷)的定量、多路、高灵敏度检测[84]。在化学分析领域:(d)用于罗丹明B(Rhodamine B)和巯基苯甲酸(pMBA)的检测[88]Fig.5 Several typical applications of optical fiber SERS sensors.In biomedicine field: (a) the detection of adenine in blood[79], In drug analysis field: (b) the detection of chloroquine and mefloquine[81], In environmental detection: (c) quantitative, multiplex, and high-sensitivity detection of nitrogen, oxygen, carbon dioxide in the air, and mixed vapors (toluene, acetone, and 1,1,1-trichloroethane)[84]. In chemical analysis field: (d) the detection of Rhodamine B (Rhodamine B) and mercaptobenzoic acid (pMBA)[88]

3.2 光纤SERS传感器在药物分析领域的应用

2013年,德国耶拿光子技术研究所的Frosch等人[81]报道了基于空芯光纤的紫外共振拉曼光谱技术在药物分析方面的应用。他们将空芯光纤作为样品通道和光波导,利用深紫外光激发光纤中的谐振模式从而极大增强了通道中光与物质的相互作用,实现了抗疟药物氯喹和甲氟喹的高灵敏度拉曼检测,如图5(b)所示。实验结果表明该技术的检测极限达到皮摩尔浓度量级。2015年,上海大学的Liu等人[82]制备了金纳米颗粒涂覆的光纤纳米传感器,并结合SERS技术成功地实现了小鼠血液中乳酸左氧氟沙星的低浓度检测,检测极限为10-4mol/L。2019年,德国莱布尼茨光子技术研究所的Wolf等人[83]证明了光纤增强拉曼光谱技术可用于抗生素环丙沙星分子的超低浓度检测,检测极限为1.5 μmol/L,且实验所需样本量仅为0.58 μL,信号积分时间低至30 s。实验结果表明环丙沙星分子的浓度与拉曼信号呈线性关系,这为未来实现药物分子的定量检测提供了可行的实验方案和依据。

3.3 光纤SERS传感器在环境检测领域的应用

2013年,美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室的Yang等人[84]使用空芯光子晶体光纤和拉曼光谱技术成功地实现了对空气中氮、氧和二氧化碳以及混合蒸汽(甲苯、丙酮和1,1,1-三氯乙烷)的定量、高灵敏度检测,如图5(c)所示。该实验证明了光子晶体光纤和拉曼光谱的结合可为环境中混合气体的检测与分析提供一个有利的平台。2014年,成都绿色能源与绿色制造研发中心的Cheng等人[85]报道了一种用于金属离子选择性检测的SERS光纤传感器。他们利用光纤传感器与金属离子结合后SERS光谱的变化来识别和检测溶液中的Hg2+、Cd2+和Zn2+离子,检测极限为10-3mol/L。2018年,中国科学院安徽光学精密机械研究所的董子豪等人[86]利用激光诱导沉积的方法将金纳米棒沉积在光纤端面制成SERS传感器,用于福美双和甲基对硫磷两种常见的农药残留的检测,检测极限分别为1×10-7mol/L和5 × 10-7mol/L,远远低于国家的安全标准,SERS信号的相对标准偏差(RSD)均小于6%,具有良好的可重复性。

3.4 光纤SERS传感器在化学检测领域的应用

2009年,美国杰克逊州立大学的Dasary等人[87]首次展示了一种高选择性和高灵敏度的半胱氨酸修饰金纳米颗粒的SERS光纤传感器,用于低浓度的液相TNT分子的识别,检测极限为2 pmol/L。该传感器无需任何染料标记即可快速准确地检测出TNT分子,且对其他硝基化合物和重金属离子同样具有良好的识别能力。2019年,美国杜克大学的Ran等人[88]报道了一种表面修饰有银纳米颗粒包覆金纳米星颗粒(Au@Ag NS)的光纤SERS传感器,用于罗丹明B和巯基苯甲酸的检测,如图5(d)所示,对巯基苯甲酸的检测极限为10-7mol/L,对罗丹明B的检测极限介于10-7mol/L和10-8mol/L之间。2022年,中国科学院高能物理研究所的Yan等人[89]制备了一种咖啡环状金纳米颗粒修饰的光纤SERS传感器,用于黄曲霉毒素B1的检测,对R6G和黄曲霉毒素B1的检测极限分别是5×10-8mol/L和5×10-7mol/L。

4 总结与展望

光纤SERS传感是一种创新性技术,它将亚波长金属等离子体功能材料融合到光纤端面或表面,从而实现了特异性且无需标签的拉曼传感。尽管已经有大量的研究工作致力于光纤SERS传感器的研制和发展,但当前仍然存在一些挑战,包括稳定性和可重复性问题,以及缺乏有效和可重复的并行制造策略。这些问题是光纤SERS传感器在不同领域和场景广泛应用的前提条件。

然而,展望未来,随着先进的纳米制造技术的不断进步,光纤SERS传感器将进一步发挥其巨大潜力。这将包括实时监测人体内癌症相关标志物、光纤生物拉曼成像、药物检测和识别等多种功能。总之,随着3D打印技术、激光器技术、人工智能和机器学习(用于处理光谱数据)以及纳米制造技术的不断发展,光纤SERS传感器有望成为一种关键的使能技术,为实现全光纤自主多功能传感器平台提供新的方法和思路,并有望在纳米光子学科领域的最前沿课题中发挥重要作用。