表面增強拉曼光譜（SERS）是一種高靈敏度、高選擇性、無需標記的指紋光譜檢測手段，有望取代需要繁瑣標記分子的常規熒光檢測。然而，基于金屬納米粒子的SERS基底的信號均勻性和穩定性難以滿足SERS峰強定量標定檢測物的濃度，從而制約了SERS技術的實際應用和商業化。本文從金屬納米粒子SERS基底的增強機理出發，探討了低成本，高信號均勻性和穩定性的SERS基底的開發，為未來實現SERS基底的商業化打下堅實的基礎。
大部分基于金屬納米粒子的SERS基底之所以能實現高靈敏度單分子指紋光譜檢測，在于金屬納米粒子互相靠近時形成的納米間隙（nanogap）中的粒子的局域表面等離子共振（Localized Surface Plasmon Resonance）產生耦合，耦合后的電場強度增強達 >108倍，這個納米間隙又稱為SERS基底的熱點(hot spot)。理論模擬和實驗都證明金屬粒子之間的納米間隙越小，電場增強越大，SERS的靈敏度越高。
然而，金屬粒子SERS基底為了達到高靈敏度（例如檢測極限<10-9 M），必然需要非常小的納米間隙（< 5 nm），而如此小的納米間隙使得被檢測分子難以均勻吸附在到每個納米間隙中并被強電場激發，于是導致了在基底的不同檢測點上檢測到的SERS光譜都不同，這是金屬粒子SERS基底難以同時實現高檢測靈敏度和高信號可重復性的內在矛盾。至于要大面積制造完全一樣的< 5 nm納米間隙陣列，對目前的納米制造手段來說仍然是一個巨大的挑戰。
2008年，Science雜志發表了一篇利用超快激光探測均勻銀納米粒子SERS基底上的拉曼信號可重復性的文章，文章通過實驗得出（Table 1）只有數量<1%的分子能夠吸附在銀納米粒子形成的高電場（增強因子>107）納米間隙之中，但是這么小部分的分子發出的SERS信號卻占總體的~70%；而>61%數量的分子則沒能進入到納米間隙中，這部分分子發出的SERS信號只占總體信號的4%，也就是說大部分的分子并沒有被檢測到。這好比社會大部分財富掌握在少部分富人手里，這少部分富人就能影響社會經濟的起伏。
要突破這個納米間隙帶來的SERS信號不穩定，其中一個方法就是用相隔約150 nm的銀-硅殼-核納米柱陣列來取代納米間隙作為SERS熱點。在這種SERS襯底中，20 nm厚的連續銀膜覆蓋在相隔200nm、直徑110nm的均勻硅納米柱陣列上，在633nm光入射時，納米柱表面出現沿著納米柱長度方向的傳播型表面等離子體(propagating surface plasmon)駐波，從而產生增強因子約106，衰減長度達50nm的寬電場。由于納米柱間隔達150nm，被檢測分子很容易就能均勻吸附在納米柱表面上被電場激發了，從而克服了金屬納米粒子納米間隙熱點的不足。
為了突出納米柱陣列SERS基底的信號穩定性，作者對比了同樣是用均勻銀納米粒子制備的基于納米間隙的SERS基底 (叫AgFON) 的多點信號：三組分染料分子（R6G, CV, BPE）和50nm長的雙鏈DNA的拉曼信號重復性。實驗得出，在掃描了多達4600個數據點中，納米柱得到非常穩定且可重復的SERS光譜，相對標準差（Relative Standard Deviation）小至7%；而納米間隙的AgFON襯底得出的SERS光譜則起伏不定，相對標準差達307%！
如此大的信號重復性差別，除了由于分子能夠均勻吸附在納米柱上之外，還因為納米柱的電場衰減長度長達50 nm，這樣即使50 nm長的雙鏈DNA也能夠被納米柱的電場完全覆蓋；相比之下，AgFON的納米間隙只有幾個納米寬，只能部分涵蓋雙鏈DNA的分子鏈。也就是說，納米柱在4600個數據點上都是激發整個雙鏈DNA獲得信號，而AgFON激發的是DNA的部分分子鏈以獲得信號、且點與點之間激發的分子鏈也不盡相同。
在獲得了如此穩定和可重復的SERS光譜的情況下，下一步就是對納米柱陣列做SERS定量分析，也就是用SERS光譜的峰強標定被檢測物的濃度。作者對納米柱做了雙組分染料分子(MG和R6G)和雙鏈DNA單個SERS峰的定量分析。在雙組份染料分子定量分析中，表示峰強與組分濃度相關性的相關系數（R2，越接近1相關性越好）高達0.964（R6G）和0.978（MG）；而雙鏈DNA的相關性更高達0.994！多組分定量分析在實際應用中非常重要，因為實際檢測中總會存在雜質影響，能從雜質信號中提取被檢測物光譜和相應濃度是SERS技術走向商業化的第一步。
商業化的另一個要求就是低成本大規模制造，對于上述信號均勻納米柱SERS基底的制備仍然需要在超凈間進行多個步驟，制造成本高昂。為降低成本，有不少研究小組都使用自然物料來做SERS襯底，例如紙和玫瑰花瓣。但是，自然物料最大的缺點就是均勻性很差，做出來的SERS襯底得到的信號也非常不均勻，難以實用化。為此，作者從大自然尋找到芋頭葉子來制備均勻SERS基底。芋頭葉子有著雙重結構：微型凸起和二級納米片，微型凸起使得芋頭葉子有超疏水作用，而均勻分布的納米片則提供了均勻高密度的SERS熱點。只需在曬干后的芋頭葉子上沉積一層銀膜，這種自然SERS襯底就做成了。
沉積了銀膜的芋頭葉子SERS襯底中的雙重結構保持不變，微型凸起的超疏水作用能夠濃縮分子、起到降低檢測限的作用，而交叉納米片熱點則產生增強電場使得SERS信號均勻分布。作者在葉子SERS襯底上演示了R6G分子在>1200個數據點上的相對標準差~9.7%以及檢測極限達10-9M。這種取材于大自然的綠色SERS襯底極大地降低了成本，而信號均勻性也非常高，可望在一次性SERS芯片或手持式SERS儀器上大展拳腳。
綜上所述，均勻SERS基底是SERS技術實用化和邁向商業化的敲門磚。只有基底能提供均勻、可重復、穩定的SERS光譜，利用SERS光譜來提取被檢測物的指紋譜和標定其濃度才能成為可能。銀-硅納米柱陣列展示的4600個穩定SERS光譜，可能成為均勻SERS襯底的一個里程碑。
此外，低成本是SERS襯底能夠媲美其他檢測方式、商業化的另一決定性要素，芋頭葉子SERS襯底平衡了高靈敏度和高信號重復性，也為未來SERS技術的商業化發展做了一個很好的榜樣。SERS技術的發展和應用除了文字所述的受SERS襯底影響的靈敏性和信號穩定性，還涉及拉曼儀器的影響。SERS技術要商業化，還需要走出實驗室，這需要儀器的小型化和平民化，未來的SERS技術發展不可避免地與整合了激光和探測器的芯片實驗室（Lab on a chip）微流控系統結合，SERS還有很多精彩的領域和技術有待各位同學去開拓！
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1. Huang, et al. SERS-Enabled Lab-on-a-Chip Systems. Advanced Optical Materials, 2015, 3, 618–633.
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3. Huang et al., Ordered Ag@SiNW Wide-Range SERS for Reproducible Biomolecule Detection, Nano Lett. 2013, 13, 5039?5045.
4. YQ Zhao, JA Huang et al., Quantitative analysis of multiplex-components and double stranded DNA by wide-range surface-enhanced Raman spectroscopy based on ordered Ag/Si nanowire arrays, J. Mater. Chem. A, 2014, 2, 10218-10224.
5. Huang et al., Superhydrophobic SERS chip based on a Ag coated natural taro-leaf, Nanoscale, 2016, DOI: 10.1039/C6NR03285K
