论文题目: Recent progress on high-precision construction of nanoarchitectured SERS substrates for ultrasensitive bio-medical sensors

期刊：Advanced Powder Materials

DOI：https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100300

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01文章摘要

表面增强拉曼散射（SERS）技术因其无损、便捷、灵敏度高等优点，已经成为分析检测领域的研究热点。本文旨在全面综述高精度纳米结构SERS衬底的最新进展及其在超灵敏环境监测中的应用。首先简要介绍了两种SERS增强机制（电磁增强和化学增强）。然后，总结了高精度SERS衬底制备的研究现状，重点探讨了如何通过纳米结构设计来增强各种衬底，特别是研究了它们的纳米结构构建与增强效果之间的关系。此外，我们还讨论了高精度衬底在各种超灵敏环境中的应用，包括超灵敏生物医学传感器，微、痕量小分子分析和检测。最后，我们解决了SERS衬底制备中的挑战，并概述了未来的发展方向，重点关注这些先进材料的改进策略，设计概念和扩展应用。

02研究背景

随着时代的不断进步，人们对微量、痕量分析检测技术的需求不断提高，SERS技术的优点使得越来越多的研究人员致力于SERS衬底的制备及应用，。近年来，SERS已经从实验室技术发展成为超灵敏检测的实用工具，特别是在生物医药等领域，精确的分子鉴定至关重要。尽管取得了重大进展，但当前的文献中没有全面的综述系统地解决了用于超灵敏生物医学检测的SERS底物的高精度构建。本文通过探索制造高精度SERS衬底的最新进展来填补这一空白，强调它们在实现超灵敏生物医学传感器中的作用。

03创新点

（1）本文按照增强机制系统总结了几类SERS衬底的制备策略，具体包括：以电磁机制为主的特征结构贵金属衬底、贵金属复合衬底，这类衬底主要以结构设计为手段，增加贵金属粒子产生的热点为目的；以化学增强机制为主的无贵金属衬底，这类衬底主要以材料改性为手段，增加电荷转移诱导的化学增强为目的；以及协同增强机制衬底，主要以组元优化，材料复合为手段。

（2）本文综合概述了近年来SERS衬底在可穿戴设备、生物医药、小分子分析检测的应用。不同的领域可能会对衬底提出不同的要求，例如在可穿戴设备领域，对衬底的安全性、抗压性提出要求；生物医药领域，对衬底的灵敏性、选择性提出要求等。

（3）本文系统总结了高精度SERS衬底的构建策略及应用现状，并对当前SERS技术存在的问题以及未来发展的方向提出展望。

04文章概述

图1 文章概述图

4.1 电磁增强机制衬底的构建

特征结构贵金属衬底通过对贵金属粒子进行纳米级结构设计制备，精密地结构设计使其能够产生强局域增强电场，从而具有优异的灵敏度和增强效果。但增强电场局部化的特征和等离子体金属纳米颗粒活性表面的不稳定性导致的灵敏性和再现性问题，以及前体材料的高价值和复杂工艺导致的高操作成本限制了其应用。

图2 特征结构贵金属衬底分类及增强机制

贵金属复合衬底通过将贵金属粒子与基体材料进行复合制备，相比特征贵金属结构衬底，贵金属复合衬底在保持强大的EM的同时，增强了衬底的稳定性，使其具有比特征贵金属结构衬底更广泛的应用。但是，贵金属复合衬底在其实际应用中仍然受到一些限制，如保存时间短、应用环境恶劣、特异性差和成本高等。

图3 贵金属复合衬底的制备及增强机制

4.2 化学增强机制衬底的构建

无贵金属SERS衬底可以解决限制SERS应用的成本及稳定性等问题，拓宽潜在SERS应用的范围。但是相比于贵金属衬底的强LSPR性诱导的强SERS性，绝大部分无贵金属衬底的增强是通过CT效应产生的CM机制实现的，通常在增强效果上远弱于贵金属衬底。

图4 无贵金属衬底的制备及增强机制

4.3 协同机制衬底的构建

协同作用贵金属复合衬底中，贵金属粒子提供的电磁增强与基体材料提供的化学增强的协同效应下，协同作用贵金属复合衬底表现出优异的SERS性能，成功地提高衬底的检测灵敏度、准确性、增强效果等性能。

图5 电磁-化学增强协同机制衬底的制备及增强机理

富集方法可以富集“热点区域”的探针分子，有效增加衬底的增强作用。此外，富集技术可以实现几个微小截面或弱吸附分子的SERS检测。在快速聚集过程中，弱吸附分子通常不能很好地吸附到“热点”上。因此，它们无法表现出任何明显的敏感性。因此，通过富集策略和电磁增强的协同作用，可以成功地解决特定化合物增强影响的问题。

图6 电磁-富集策略协同机制衬底的制备及增强机理

4.4 SERS技术的应用

目前，在SERS技术不可缺少的优势和相关领域对衬底制造的广泛研究的推动下，SERS衬底在生物医学、可穿戴传感器和小分子分析检测中已经有广泛应用。

(1) 可穿戴传感器技术将在未来的个性化医疗中发挥关键作用，SERS技术具有卓越的特异性，超高的检测灵敏度和非侵入性，使其成为用于健康监测的可穿戴传感器的理想选择。

图7 可穿戴设备应用

(2) 生物医药是SERS技术广泛应用的关键领域。SERS即使可以在细胞中进行的SERS生物测定和在体液中进行生物测定，包括药物管理和检测，癌症诊断和治疗，以及各种紧急测试，如中风，流产和炎症。

图8 生物医药应用

(3) SERS技术的高灵敏度，使其在分析化学中有许多应用。例如，SERS用于检测农药残留、监测植物健康、识别爆炸物、药物和挥发性有机化合物。

图9 小分子分析检测应用

05启示

（1）特征贵金属结构衬底增强效果好，但成本高，制备困难。可能适用于实验室、军工等精细场景。未来可以通过更加精细的结构设计进一步发展。

（2）无贵金属衬底成本低、制备简单，但是增强效果通常较差。适用于大范围、低要求等应用场景。未来通过改性策略等，可以进一步提升其性能。

（3）贵金属复合衬底成本相对较低，且可以通过复合其他材料，实现协同增强。可能是未来主要的发展方向。可以通过进一步的结构、组元优化、富集策略等实现进一步发展。

（4）SERS技术的在诸多领域都有极强的应用潜力，但受限于各种原因，目前仍没有大规模实际应用。因此，高性能SERS衬底的不断制备，以及未来与机器学习、AI等相结合的新型衬底，在未来一定会进一步扩充其应用范围。

引用信息：Heguang Liu, Ben Mou, Jinxin Li, Na Tian, Yiming Feng, Huageng Liang, Caiyin You, Yuan Li, Tianyou Zhai, Recent progress on high-precision construction of nanoarchitectured SERS substrates for ultrasensitive bio-medical sensors, Adv. Powder Mater. 4(2025) 100300. https://doi.org/10.1016/j.apmate.2025.100300

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原文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2772834X25000363