受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列，用于自動(dòng)化檢測(cè)唾液中脲酶活性

表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)，作為一種強(qiáng)有力的分析工具，已在化學(xué)和生物醫(yī)學(xué)傳感領(lǐng)域獲得廣泛應(yīng)用。為了減少檢測(cè)時(shí)間并最大限度地減少人為錯(cuò)誤，自動(dòng)化檢測(cè)經(jīng)常被整合到生化分析技術(shù)中。但是，目前用于樣本檢測(cè)的SERS基底制備過程既復(fù)雜又容易受到人為操作的影響，這限制了SERS技術(shù)與自動(dòng)化檢測(cè)的深度結(jié)合。

盡管唾液脲酶作為幽門螺桿菌的生物標(biāo)志物具有巨大的應(yīng)用潛力，但目前采用的檢測(cè)方法在靈敏度和自動(dòng)化方面還需改進(jìn)。通過不斷改進(jìn)檢測(cè)技術(shù)和引入自動(dòng)化設(shè)備，有望提高唾液脲酶檢測(cè)的準(zhǔn)確性和效率，從而為幽門螺桿菌感染的診斷和治療效果監(jiān)測(cè)提供更優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。

近期，西安電子科技大學(xué)的胡波教授課題組受到蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，結(jié)合了表面增強(qiáng)拉曼散射（SERS）技術(shù)和自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)，創(chuàng)新性地設(shè)計(jì)并制造了一種用于大規(guī)模自動(dòng)化檢測(cè)唾液中脲酶活性的SERS微陣列。這種SERS微陣列不僅顯著縮短了檢測(cè)時(shí)間，還降低了人為誤差，具有在生物醫(yī)學(xué)檢測(cè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的前景。

相關(guān)研究成果以“Honeycomb-Inspired Surface-Enhanced Raman Scattering Microarray for Large-Area Automated Testing of Urease in Saliva Samples”為題發(fā)表在了國(guó)際知名傳感器期刊《ACS Sensors》上，并且被期刊選為內(nèi)封面文章。

受蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，SERS微陣列的設(shè)計(jì)采用了正六邊形微孔密鋪結(jié)構(gòu)。相較于其他正多邊形，正六邊形能夠?qū)崿F(xiàn)最大的空間利用率，使得在相同面積的基底上能夠布置更多的檢測(cè)位點(diǎn)，這無疑為大面積自動(dòng)化檢測(cè)提供了極大的便利。此SERS微陣列的制備過程受到了蜂巢的啟發(fā)，采用了聚二甲基硅氧烷（PDMS）軟光刻技術(shù)，并結(jié)合表面改性與銀納米星（AgNSs）的吸附，這一系列制備流程既方便又經(jīng)濟(jì)。此外，多枝杈的AgNSs在基底表面分布均勻，不僅顯著增強(qiáng)了SERS信號(hào)，同時(shí)也大幅提升了信號(hào)的均一性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的設(shè)計(jì)和制備

本研究深入研究了AgNSs的溶劑組成、濃度以及吸附時(shí)間等關(guān)鍵參數(shù)，旨在優(yōu)化受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的性能。通過詳細(xì)表征SERS微陣列表面AgNSs的吸附狀況，并分析在不同參數(shù)條件下拉曼報(bào)告分子（4-巰基苯甲酸，4-MBA）的SERS信號(hào)，成功確定了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的最佳制備參數(shù)。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的優(yōu)化

本研究從分子吸附和熱點(diǎn)構(gòu)建兩個(gè)角度，對(duì)SERS信號(hào)的變化進(jìn)行了深入的理論分析和闡釋。隨著AgNSs密度的提升，部分待測(cè)分子被吸附在底層的AgNSs上，由于這些分子無法被有效檢測(cè)到，因此會(huì)導(dǎo)致SERS信號(hào)出現(xiàn)下降。利用時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)SERS微陣列表面的局部電場(chǎng)分布進(jìn)行了仿真模擬。結(jié)果表明，過高的AgNSs密度會(huì)引發(fā)“掩蔽效應(yīng)”，這種效應(yīng)會(huì)減少SERS的熱點(diǎn)數(shù)量，進(jìn)而造成SERS信號(hào)的降低。

通過FDTD方法仿真局部電場(chǎng)分布

本研究還全面表征了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在均一性、可重復(fù)性、增強(qiáng)因子和穩(wěn)定性等SERS性能方面的表現(xiàn)。與實(shí)驗(yàn)室常用的4種SERS基底相比，該SERS微陣列展現(xiàn)出了顯著的優(yōu)越性。其表面吸附的AgNSs分布非常均勻，確保了檢測(cè)信號(hào)的高度一致性，從而在信號(hào)均一性方面表現(xiàn)出最佳性能。這一優(yōu)勢(shì)使得該SERS微陣列在實(shí)際應(yīng)用中具有更高的可靠性和準(zhǔn)確性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列與其他4種SERS基底的比較

經(jīng)過重復(fù)性、增強(qiáng)性和穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列展現(xiàn)出了卓越的性能。其可重復(fù)性極高，通過對(duì)9批不同基底上拉曼報(bào)告分子的特征峰位信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）值均低于8%。同時(shí)，該微陣列的增強(qiáng)因子可達(dá)到10?數(shù)量級(jí)。更為重要的是，在室溫條件下保存滴有待測(cè)樣本的SERS微保存兩周后，其信號(hào)強(qiáng)度僅降低了約18%（主要?dú)w因于AgNSs的輕微氧化），這充分證明了該SERS微陣列具有出色的時(shí)間穩(wěn)定性。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的性能表征

為了深入探索受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在檢測(cè)唾液中脲酶活性方面的能力，本研究基于尿素-脲酶催化反應(yīng)進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。首先，驗(yàn)證了該SERS微陣列具有定量檢測(cè)脲酶活性的能力，這為其后續(xù)應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。接著，采集了志愿者的模擬唾液樣本，并利用該微陣列進(jìn)行了檢測(cè)。通過計(jì)算分析，成功得出了樣本中脲酶的濃度，并評(píng)估了其回收率。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證明了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，尤其是檢測(cè)唾液中脲酶活性方面，具有巨大的應(yīng)用潛力。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列檢測(cè)唾液中脲酶活性

本研究進(jìn)一步整合了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列、多軸位移平臺(tái)以及拉曼光譜儀等先進(jìn)設(shè)備，成功構(gòu)建了一個(gè)高效的SERS自動(dòng)化檢測(cè)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了SERS技術(shù)與自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)的完美結(jié)合。通過這一平臺(tái)，僅需一次操作便能迅速自動(dòng)獲取多達(dá)100條光譜數(shù)據(jù)，這不僅顯著縮短了檢測(cè)所需的時(shí)間，還有效降低了人工操作可能引入的誤差。該平臺(tái)充分展示了受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列在大面積自動(dòng)化檢測(cè)唾液樣本中脲酶活性方面的巨大潛力和優(yōu)勢(shì)。

受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列的自動(dòng)化檢測(cè)

綜上所述，本研究受蜂巢結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，設(shè)計(jì)了一種具有六邊形微孔結(jié)構(gòu)的SERS微陣列，并通過一系列簡(jiǎn)便且經(jīng)濟(jì)的方法成功制備。這種獨(dú)特的微陣列結(jié)構(gòu)展現(xiàn)出卓越的SERS增強(qiáng)因子、信號(hào)均一性以及可重復(fù)性，從而顯著提高了檢測(cè)效率和信號(hào)穩(wěn)定性。

為了進(jìn)一步提升檢測(cè)效率，將這種受蜂巢結(jié)構(gòu)啟發(fā)的SERS微陣列融入了自動(dòng)化SERS檢測(cè)平臺(tái)中，成功地將表面增強(qiáng)拉曼散射技術(shù)與自動(dòng)化檢測(cè)相結(jié)合。這一創(chuàng)新性的整合不僅突破了拉曼檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)化的難題，還實(shí)現(xiàn)了對(duì)唾液樣本中脲酶活性的大面積自動(dòng)化檢測(cè)。通過這種方式，不僅大幅縮短了檢測(cè)周期，還有效減少了人為操作失誤，提升了檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

總的來說，本研究通過設(shè)計(jì)并制備具有優(yōu)異性能的SERS微陣列，以及將其與自動(dòng)化檢測(cè)技術(shù)相結(jié)合，為SERS技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了新的途徑。這種技術(shù)的高靈敏性和高效率有望在生物醫(yī)學(xué)傳感、臨床診斷和食品安全檢測(cè)等多個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用，為這些領(lǐng)域帶來新的可能性和廣闊的應(yīng)用前景。

論文鏈接： https://doi.org/10.1021/acssensors.4c00006