综述：纳米间隙增强的SERS和SEF：从制备到生物传感

《Nanoscale Advances》：SERS and SEF with enhancement in nanogaps: from fabrication to biosensing

这篇综述聚焦于表面增强拉曼散射（SERS）和表面增强荧光（SEF）光谱技术，系统阐述了纳米间隙的增强机制、多种有序（如电子束光刻、纳米球光刻）和无序（如自组装）制备技术，及其在无标记检测、生物标志物分析等生物传感领域的广泛应用。文章指出，尽管有序技术可提供更高的重现性，但自组装等方法因其低成本、易扩展和相当的增强能力，在实际应用中更具竞争力，为未来高灵敏度纳米光子器件的开发提供了重要参考。

　　

近五十年前，Fleischmann等人首次在粗糙银电极上观察到吡啶的拉曼信号显著增强，揭开了表面增强光谱学的序幕。随后，Jeanmaire、van Duyne与Albrecht、Creighton分别提出电磁增强和电荷转移增强机制，共同构成了当今表面增强拉曼散射（SERS）的理论基石。SERS的信号增强来源于电磁增强和化学增强的协同作用，其关系可用公式 PSERS=GSERSPRaman=GSERSEmGSERSChemPRaman描述。电磁增强源于金属纳米结构表面的局域表面等离子体共振（LSPR）效应，可将拉曼散射强度提升10⁴至10¹⁰倍；化学增强则涉及吸附物与金属表面的电荷转移共振，通常贡献约100倍的增强。二者结合可实现高达10¹⁴量级的信号放大。除了超高灵敏度，SERS还具有非破坏性、分析速度快、无标记检测潜力以及可用于多重检测等优势，因此在分子生物学、生物医学和环境科学等领域，甚至单分子检测中广泛应用。

与此同时，表面增强荧光（SEF）技术也得以发展，旨在克服荧光光谱量子产率和荧光寿命的限制。当荧光团靠近金属表面时，金属的“避雷针效应”可放大入射光，而金属诱导的辐射衰减率（Γ_m）增加可改变量子产率和荧光寿命，从而实现荧光信号的增强，此现象被称为金属增强荧光（MEF）或SEF。

无论是SERS还是SEF，其信号增强的核心都来源于被称为“热点”的强电磁场区域，这些区域主要位于纳米结构尖端或纳米颗粒之间的纳米间隙中。理论研究与实验均表明，纳米间隙是产生最强增强的关键。例如，对于金纳米颗粒二聚体，当间隙（g）从10纳米减小到2纳米时，SERS增强因子（G_SERS）可从5×10⁵急剧增加到3×10⁹，呈现出近似1/g²的依赖关系。间隙尺寸对电磁增强的影响可用公式 GSERSEM∝(a/(a+d))12近似描述，表明信号增强随距离纳米颗粒表面距离（d）的增加而急剧衰减，分析物通常需在表面10纳米以内才能有效利用等离子体效应。实验上，通过使用不同链长的巯基羧酸分子作为间隔物，可以可控地制备出间隙在0.9至2.3纳米之间的二聚体，并观察到拉曼信号随间隙减小呈指数增长。

为了获得可重现的高增强信号，特别是用于单分子检测，制备具有均匀、有序纳米间隙的基底至关重要。主要的纳米间隙可控制备技术可分为结构化和非结构化两大类。

结构化纳米间隙制备

电子束光刻（EBL）技术能精细控制纳米结构的几何形状，重现性高。例如，Zhu等人通过巧妙的策略制备了间隙小至2纳米的金二聚体阵列，实验和模拟均显示间隙从16纳米减小到2纳米时，SERS增强提高了两个数量级。Zhang等人制备了间隙低至3纳米的金 bowtie 结构，用于检测BPE分子，实现了10⁷的增强因子。然而，EBL成本高、耗时长，限制了其大规模应用。

纳米球光刻（NSL）是一种更经济、高效的 ordered 阵列制备方法。它利用聚苯乙烯或二氧化硅纳米球自组装成模板，再通过物理沉积或电化学沉积金属，形成“纳米球上薄膜”（FON）或纳米碗阵列等结构。Wang等人通过NSL制备了间隙约3纳米的Au/Ag双金属纳米结构，实现了1.66×10⁹的增强因子。将NSL与原子层沉积（ALD）结合，如Im等人制备的Ag/空气/Ag纳米环腔，形成了10纳米的明确间隙，对腺嘌呤的检测限低至76 pM，增强因子达10⁸。

模板辅助（TA）电沉积是另一种制备有序纳米间隙阵列的有效方法，常用模板包括阳极氧化铝（AAO）和介孔二氧化硅。Tian等人利用介孔二氧化硅模板通过纳米铸造法制备了银等离子体超晶体，其间隙约2纳米，均匀性高，对结晶紫的检测限达0.1 fM，增强因子为10⁹。

非结构化纳米间隙制备：自组装

尽管结构化技术重现性好，但其成本、复杂度和可扩展性限制了商业化前景。相比之下，基于纳米颗粒在溶液中聚集的自组装方法更简单、廉价且易于扩展。最常见的体系是球形金银胶体，可通过添加电解质或分子连接剂诱导聚集。分子连接剂可分为非生物连接剂（如二硫醇、二胺分子）和生物连接剂（如DNA、抗体）。DNA因其分子识别和可编程特性，成为 bottom-up 构建等离子体纳米结构的优异材料。Li等人通过DNA介导成功组装了异质二聚体阵列，间隙小于5纳米，增强因子在10⁵–10⁶量级。Song等人则利用两亲性嵌段共聚物自组装，制备了具有亚10纳米粒子内间隙的金核壳纳米颗粒，实现了1.4×10⁸的增强，并用于检测MCF-7细胞，检测限达30 cells/mL。

制备技术对比

对38篇文献的统计分析表明，自组装（SA）技术制备的纳米间隙平均尺寸最小（2.34纳米），与模板辅助法（TA, 3.74纳米）、电子束光刻（EBL, 5.28纳米）和纳米球光刻（NSL, 5.36纳米）相当甚至更优。在增强性能上，有序技术（TA中位EF 1.4×10⁸, EBL中位EF 4.6×10⁸）仅比自组装（中位EF 3.1×10⁷）高1-2个数量级。在检测限（LOD）方面，自组装（中位LOD 1.0×10^-9M）与模板辅助法（中位LOD 7.9×10^-10M）接近，略逊于EBL（中位LOD 1.0×10^-10M）。所有技术（EBL数据缺失）的信号重现性相对标准偏差（RSD）均在9-10%左右。综上，自组装在保持低成本、低复杂度和高可扩展性的同时，能提供与有序技术相媲美的增强能力、灵敏度和重现性，在实际应用中具有强大竞争力。

纳米间隙在直接检测中的应用

基于纳米间隙的SERS技术已广泛应用于生物分子的无标记检测。在癌症检测方面，Eom等人利用在垂直金纳米线上沉积金纳米颗粒形成的亚10纳米间隙阵列，实现了对HeLa癌细胞低至0.2 cell/mL的灵敏检测。对于小分子，Dinish等人使用深紫外光刻制备的纳米间隙基底实现了葡萄糖的检测，增强因子高达10¹¹。Zhang等人则利用具有2-6纳米间隙的金纳米棒核壳结构，实现了对多环芳烃（PAHs）的定量SERS分析。此外，该技术还可用于病原菌检测，例如，基于银纳米球的银纳米晶体基底可检测低至10 CFU/mL的病原菌（如大肠杆菌O157），并能区分细菌的死活。

总结与展望

纳米间隙作为SERS和SEF技术的增强核心，其理论、制备与应用研究已取得丰硕成果。结构化制备技术提供了高重现性的平台，而无序自组装技术则以出色的性价比和可扩展性展现出巨大应用潜力。未来，通过进一步理解纳米间隙中的量子效应、开发新型可控组装策略、以及推动集成化和器件化，纳米间隙增强光谱学必将在生物传感、临床诊断、环境监测等领域发挥更加重要的作用。