《Nano Research》刊登徐红星教授团队研究进展：利用空腔模式实现微流环境下分子的实时拉曼监测

近日，我院徐红星教授研究组依托武汉大学微纳米加工实验室，利用空腔模式实现微流环境下分子的实时拉曼探测。该工作以“Real-time Raman detection by the cavity mode enhanced Raman scattering”为题在国际著名刊物《纳米研究》（Nano Research）上发表。论文第一署名单位是武汉大学，博士生刘扬为第一作者，管志强副教授和徐红星教授为共同通讯作者。拉曼光谱，通过分子对入射光的非弹性散射光的分析，可以得到分子振动、转动方面的“指纹式”信息。激光技术和表面等离激元共振提供的巨大局域电磁场增强，为利用拉曼光谱分子识别的实用化打开了大门。表面增强拉曼散射（surface enhanced Raman scattering，SERS）的探测的灵敏度甚至可以低至单分子水平。但是在结合表面增强拉曼散射和生物医学检测微流控芯片技术时，受限于待测分子在金属表面的特异吸附和极小的有效热点区域，检测芯片的检测速度和可重复利用性等存在问题。另外，基于自下而上的表面增强拉曼衬底在信号均匀性和可重复性方面可控性较差。针对这些问题，该团队利用微纳加工可控制备双层金属光栅结构，通过激发空腔模式将电磁场增强区域调控至光栅槽中来增强溶液中分子的拉曼信号，实现了在微流控器件中对分子拉曼信号的实时监测，并展示了增强拉曼衬底的良好均一性、稳定性以及可重复利用性。该工作通过调控光栅结构参数，首次在实验上证实了空腔模式激发与拉曼信号增强的关联性。通过使用两种拉曼探针分子，我们表征了器件在水溶液环境下基于表面电磁场增强和基于空腔模式电磁场增强的两种不同拉曼信号增强探测机制。4-巯基苯甲酸（4-Mercaptobenzoic acid，4-MBA）分子由于具有巯基，会在金属表面上形成自组装单层分子层，被用于表征表面增强拉曼散射和阻止溶液中的罗丹明6G（Rhodamine 6G，R6G）分子同金属表面的吸附；而R6G分子被用于表征空腔模式增强拉曼散射。通过将双层金属光栅增强衬底与微流系统结合，我们实现了低于1分钟的R6G分子拉曼信号实时监测，并验证了基底的可重复利用性。与传统表面增强拉曼基底不同，这种利用腔模式增强拉曼信号的基底无需待测分子吸附在金属结构表面，从而缩短了拉曼实验准备时间，提高了测试的效率。该工作为片上集成芯片-SERS（LoC-SERS）在食品和环境安全、疾病的早期诊断、生物医药检测、生物环境和化学反应的原位监测等方面的应用提供了重要的实现路径。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委的支持。论文链接: https://rd.springer.com/article/10.1007/s12274-019-2414-8

2019-06-09