微尺度图案化高均匀性SERS基底：解决重现性挑战

《Talanta》：Microscale-patterned SERS substrates with exceptional uniformity: Addressing reproducibility challenges

为了解决表面增强拉曼散射（SERS）在定量应用中因“热点”随机分布导致信号重现性差的关键难题，本研究开发了一种创新的无掩模激光直写光刻技术，用于制备金包覆纳米孔阵列基底。该技术实现了大面积（4×4 mm2）范围内优异的几何结构均匀性（变异系数CV < 5%），结合多峰光谱分析与统计方法，以苯硫酚（BT）和罗丹明6G（R6G）为模型分析物，分别获得了(1.00±0.01)×105和(3.98±0.10)×105的可重现分析增强因子。该工作为构建可靠、可定量的SERS传感平台奠定了坚实基础。

　　

在化学检测、生物医学诊断和环境监测等领域，表面增强拉曼散射（SERS）技术因其单分子灵敏度和化学特异性“指纹”识别能力而备受青睐。然而，这项强大技术的广泛应用却长期受制于一个“阿喀琉斯之踵”：信号重现性差。传统的SERS基底，无论是胶体纳米颗粒团聚体还是粗糙金属薄膜，其表面增强光信号的“热点”往往是随机、不可控分布的。这导致即使是在同一块基底的相邻位置，测量到的信号强度也可能天差地别，更不用说不同批次制备的基底了。这种不可预测性严重阻碍了SERS从实验室走向实际定量分析应用，尤其是在对结果一致性要求极高的即时诊断和痕量检测场景中。因此，开发一种能够在大面积上产生均匀、稳定SERS信号的基底制造方法，成为了该领域亟待攻克的核心挑战。

本文发表在《Talanta》上，研究人员为攻克这一难题提出了一种创新方案。他们绕开了昂贵且耗时的电子束光刻或深紫外光刻技术，采用了一种无掩模的直接激光写入（DLW）光刻工艺。这种方法能够快速（在6分钟内）在毫米级区域（4×4 mm²）上“绘制”出精密的周期性纳米孔阵列，孔径范围在500至2000纳米，并均匀地包覆一层超薄金膜。这种有序结构替代了随机热点，在基底上创造了大量均匀分布的局域等离子体共振“热点”。更重要的是，研究团队引入了一套先进的分析工作流程，通过对大面积拉曼映射数据的多峰光谱处理和自助法（bootstrap）统计分析，实现了对整个基底性能的全局性评估，而非仅仅依赖个别“超强”热点信号。这一组合策略旨在从“硬件”（基底制造）和“软件”（数据分析）两个层面同时解决SERS的重现性问题。

为了开展这项研究，研究人员主要运用了以下几项关键技术：1. 无掩模直接激光写入（DLW）光刻技术：用于在硅片上快速、精确地制备大面积周期性纳米孔阵列。2. 扫描电子显微镜（SEM）和原子力显微镜（AFM）：用于对制备的纳米结构进行形貌表征，确认结构的均匀性和尺寸精度。3. 共聚焦拉曼光谱映射：使用785 nm激发激光，对修饰有模型分析物（苯硫酚BT和罗丹明6G）的基底进行系统性的空间扫描（8×8 μm²区域，步长2 μm），采集数千个光谱以评估信号的空间均匀性。4. 有限元模拟（COMSOL Multiphysics）：通过数值模拟优化金层厚度、纳米孔尺寸和间距等参数，以预测并理解其等离子体场增强特性。

研究结果

3.1. 模拟结果

通过COMSOL Multiphysics进行的二维模拟揭示了纳米孔结构内的电场增强分布。模拟发现，在785 nm激发光下，电场增强主要集中于纳米孔壁的底部角落。金层厚度对增强效果有显著影响，10 nm左右的金层能提供最佳的场增强，过薄（5 nm）的金层因未达到渗透阈值而无法形成有效的连续等离子体膜，过厚（15 nm）则因体相吸收损耗而导致增强减弱。此外，模拟还系统研究了不同孔径（200 nm至2 μm）和孔间距在不同激发波长（514, 633, 785, 830 nm）下的电场增强情况，为实验设计提供了理论指导。

3.2. 光学显微镜特征分析

通过自动化图像处理流程对光学显微图像进行分析，量化了纳米孔的直径和孔间距。结果表明，所有设计的纳米孔阵列（从500,500到2000,2000）其制造特征均表现出极高的均匀性，直径和间距的变异系数（CV）均低于0.5%。虽然实测直径比设计目标大约30-45%（这是由激光光斑尺寸和显影过程决定的），但其一致性极佳，证明了激光直写工艺出色的光刻保真度。

3.3. BT在图案化表面的拉曼映射

以苯硫酚（BT）为模型分子，研究人员对多种孔径和间距组合的基底进行了系统的拉曼映射分析。他们发展了一套复杂的数据处理流程：对每个像素点的光谱进行洛伦兹峰拟合和二次基线扣除，提取多个特征峰（~690, 1000, 1023, 1072, 1574 cm^-1）的面积，并以1000 cm^-1峰为内标进行强度归一化，最后通过自助法统计得到全局平均增强因子。结果表明，1000, 1000（目标直径1000 nm，目标间距1000 nm）的阵列配置表现最优，其分析增强因子（EF）达到(1.00±0.01)×10⁵。不同BT特征峰之间的强度比例在不同间距下保持高度稳定（变化<4%），证明了基底增强的均匀性及光谱指纹的保真度。

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3.4. R6G在图案化表面的拉曼映射

对另一种常用探针分子罗丹明6G（R6G）的分析采用了类似的流程。结果发现，500, 500的阵列配置对R6G的增强效果最好，EF达到(3.98±0.10)×10⁵。与BT不同，R6G不同拉曼峰的增强效应对纳米结构的几何参数（尤其是孔间距）更为敏感，某些峰的强度比变化幅度超过100%，这反映了R6G分子与局域等离子体场之间更复杂的耦合机制。

结论与讨论

本研究成功开发并验证了一种基于无掩模激光直写技术制备的高均匀性、可重现的SERS基底平台。核心结论如下：

1. 1.
   制造优势：该DLW工艺能够快速、低成本地制备大面积（毫米级）、高均匀性（CV <5%）的周期性金包覆纳米孔阵列，克服了传统电子束光刻速度慢、成本高以及自组装纳米粒子随机性强的缺点。
2. 2.
   性能优异：以BT和R6G为模型分析物，该基底展示了优异的分析增强因子（约10⁵量级）和极低的空间信号变异。特别是，通过结合多峰分析和统计方法，所报告的EF值反映了整个基底区域的整体性能，而非孤立热点的极端值，因此更具代表性和重现性。
3. 3.
   方法学创新：研究提出并实施了一套整合了空间映射、多峰拟合和自助法统计分析的高级工作流程。这套方法不仅用于评估基底性能，其本身也为SERS定量分析提供了更可靠、更标准化的评估框架。
4. 4.
   普适性意义：这项工作为解决SERS领域长期存在的重现性和定量校准挑战提供了一个切实可行的解决方案。所展示的均匀、可预测的增强平台，为开发未来面向实际应用（如生物传感、环境监测）的可靠SERS检测协议奠定了坚实基础。虽然当前实现的增强因子与文献中报道的个别极高热点值相比属于中等水平，但其突出价值在于大面积均匀性和批次间可重现性，这正是实现稳健定量分析的关键。未来的工作可以聚焦于通过优化纳米间隙几何或使用金银混合涂层来进一步提高峰值增强，同时保持本平台所展现出的优异均匀性。