喜报│我院刘晔教授团队在高性能光纤SERS探针的可控制备方面取得系列进展-电信工程与智能化学院

近日，我院刘晔教授团队在高性能光纤SERS探针的可控制备方面取得进展，并在学校T类二级期刊Applied Surface Science（中科院一区TOP）上发表了题为《Stick-slip-motion-assisted interfacial self-assembly of noble metal nanoparticles on tapered optical fiber surface and its application in SERS detection》的论文。

表面增强拉曼散射（Surface-enhanced Raman scattering, SERS）光谱利用贵金属纳米颗粒的局域表面等离子体共振效应实现拉曼信号的极大增强，是当前拉曼光谱技术的重要发展方向。SERS增强基底是实现高灵敏SERS检测的关键。目前常用的SERS增强基底主要有贵金属纳米颗粒溶胶和固态SERS基底两大类。然而，贵金属纳米颗粒溶胶中颗粒沉降及随机分布会较大影响SERS光谱检测重复性，且单分散颗粒的SERS增强因子较低；而固态SERS基底虽然采用微纳加工技术制备出的周期性结构能够一定程度提高光谱检测重复性，但存在制备成本高、制备难度大等问题。如何同时实现SERS光谱的高稳定性、高灵敏度检测是SERS光谱技术真正走向实用化的关键。

刘晔教授团队近年来尝试将光纤传感技术与SERS光谱检测相结合，通过将贵金属纳米颗粒或结构制备在光纤表面并将拉曼激发光和SERS信号光均耦合至光纤中传输（即光纤同时用作的光传输通道和SERS敏感单元），一方面，光纤中传输的拉曼激发光可实现SERS敏感区域的SERS信号的整体激发，有效增大SERS相互作用面积，利于提高检测灵敏度；另一方面，整个SERS敏感区域内落在光纤数值孔径内的SERS信号将被光纤收集，并由光纤传输至光谱仪进行检测，该SERS信号的积分收集效应有望较大程度提高SERS光谱的检测重复性和稳定性。

前期，团队针对平端面光纤结构，先后发展了激光诱导蒸发自组装法（ZL201811144372.6,ZL201811414826.7）、激光诱导一步提拉法（ZL201811144266.8）、飞秒激光诱导还原法（ZL201811342587.9）等多种制备方法，在光纤平端面制备出具有大SERS增强的纳米结构（如图1所示），例如纳米颗粒链状结构（Nanoscale, 2016, 8, 10607）、微咖啡环纳米结构（Sensors and Actuators: B. Chemical, 2019, 299, 126990）、纳米颗粒团簇结构（Optics Express, 2020, 28, 6649; Optics Express, 2022, 30, 15846）等，显著提升了液相原位SERS光谱检测的灵敏度和重复性。

图1、团队前期制备的各种规格光纤平端面SERS探针

最近，为了进一步提升光纤SERS探针的检测灵敏度，针对具有更大相互作用面积的锥形光纤结构，团队在实验上发现了一种新颖的激光诱导下锥形光纤与纳米颗粒溶胶间形成的弯液面的粘滑运动，并基于此发展了“粘滑运动辅助的界面自组装法”，成功在光纤锥面制备出纳米颗粒环状分布的光纤SERS探针（如图2所示）。得益于每个纳米颗粒环中包含的数量众多的纳米颗粒团簇结构提供的大SERS增强因子，以及探针的SERS整体激发与积分收集效应，该类锥形光纤SERS探针展现出高的液相原位检测灵敏度（结晶紫溶液：2.0 × 10^-10 M，孔雀石绿溶液：1.0×10^-9 M，福美双溶液：1.0×10^-9 M）和优良的光谱检测重复性（RSD <6%），从而在生物医药、食品安全、环境检测等领域的液相原位光谱检测应用中具有重要应用前景。

图2、锥形光纤SERS探针制备及光谱检测

相关研究工作获得国家自然科学基金面上项目、国家重点研发计划项目子课题、广东省自然科学基金面上项目、广东省普通高校重大研究项目、东莞理工学院青年科研团队等项目的支持。