清華大學(xué)納米中心開發(fā)可規(guī)?；a(chǎn)的SERS基底，助力高靈敏度臨床檢測 Adv Mater Interfaces | 用戶成果速遞

時(shí)間：2025-7-29

“在新生兒重癥監(jiān)護(hù)室(NICU)，護(hù)士用棉簽取一滴尿液，滴在芯片上，幾分鐘后便攜式設(shè)備就能顯示藥物濃度，醫(yī)生立刻調(diào)整用藥，這就是 POCT(床邊即時(shí)檢測)的魅力。我們希望能將納米技術(shù)與臨床醫(yī)學(xué)結(jié)合，因而設(shè)計(jì)了一種硅基 SERS 芯片，它的價(jià)值不僅在于其高靈敏度，更在于它將納米結(jié)構(gòu)制備、光譜檢測與臨床應(yīng)用結(jié)合的系統(tǒng)性思路。對于新生兒重癥監(jiān)護(hù)等場景，快速獲取藥物濃度數(shù)據(jù)可幫助醫(yī)生及時(shí)調(diào)整治療方案，這對器官發(fā)育尚未成熟的早產(chǎn)兒尤為重要。” 金元浩表示。

金元浩來自清華大學(xué)納米中心，上述研究已經(jīng)發(fā)表在《Advanced Materials Interfaces》上。

研究背景

在醫(yī)療檢測領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)快速、準(zhǔn)確且低成本的診斷，特別是適用于即時(shí)、床邊(POCT)場景的技術(shù)，是提升診療效率的關(guān)鍵。新生兒疾病管理等場景對快速篩查和早期干預(yù)有迫切需求。傳統(tǒng)的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)芯片受限于成本較高、難以量產(chǎn)、生物兼容性低與操作難度大等問題，無法適應(yīng)大規(guī)模的臨床應(yīng)用。

研究成果

近日，清華大學(xué)納米中心科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種基于超順排碳納米管(SACNT)刻蝕掩膜制備高靈敏度、均勻且可重復(fù)的硅基表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）基底的方法，并實(shí)現(xiàn)了晶圓級規(guī)?；a(chǎn)。該基底兼具高密度熱點(diǎn)支撐和外部光譜參考的雙重功能，可顯著提升定量檢測的準(zhǔn)確性，對 BPE 溶液的檢測限低至 10?¹² M，監(jiān)測偏差小于 5%。該技術(shù)為床邊即時(shí)檢測(POCT)帶來了新的技術(shù)方案。這種基于硅基的表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)芯片，憑借其高靈敏度、良好的重復(fù)性和成本優(yōu)勢，有望在臨床檢測尤其是新生兒疾病管理中發(fā)揮重要作用。相關(guān)研究以“Versatile Silicon-Based Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Chip for Quantitative Sensing and Point-of-Care Applications”為題發(fā)表在《Advanced Materials Interfaces》上.

研究內(nèi)容

1 　芯片設(shè)計(jì)：從納米結(jié)構(gòu)到功能集成

01. 核心材料與制備工藝

該芯片以硅片為基底，采用超順排碳納米管(SACNT)網(wǎng)絡(luò)作為刻蝕掩膜，通過無掩?？涛g技術(shù)在硅表面構(gòu)建出數(shù)十納米級的準(zhǔn)周期性交叉線結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢在于可規(guī)?；苽?mdash;—研究團(tuán)隊(duì)已實(shí)現(xiàn) 4 英寸硅晶圓級生產(chǎn)，且單個(gè)芯片單元尺寸為 5×5 mm，適合批量制造?？涛g完成后，芯片表面會沉積一層 100 nm 厚的金膜，金的納米結(jié)構(gòu)能形成高密度 “熱點(diǎn)”，顯著增強(qiáng)分子的拉曼信號。

圖1. SERS 襯底的顯微鏡與 SEM 圖，以及金硅納米結(jié)構(gòu)的局部細(xì)節(jié)

(詳情請查看原文)

02. 雙重功能設(shè)計(jì)

硅基底在檢測中扮演 “雙重角色”：一方面作為支撐結(jié)構(gòu)承載金納米熱點(diǎn)，另一方面其自身在 520.7 cm?¹ 處的拉曼信號穩(wěn)定且可重復(fù)，能作為外部參考標(biāo)準(zhǔn)，有效提升定量檢測的準(zhǔn)確性。這種設(shè)計(jì)解決了傳統(tǒng) SERS 檢測中信號波動的難題當(dāng)——以硅信號為參考時(shí)，檢測偏差可控制在 5% 以內(nèi)，而未引入?yún)⒖紭?biāo)準(zhǔn)時(shí)偏差達(dá) 12.21%。

圖2.使用 BPE 分子來驗(yàn)證所制備的 SERS 芯片的定量分析能力

(詳情請查看原文)

2 　性能驗(yàn)證：從實(shí)驗(yàn)室到臨床的關(guān)鍵一步

01. 高靈敏度與檢測極限

研究人員以 BPE 為模型分子測試芯片性能，結(jié)果顯示其對 BPE 的檢測限可達(dá) 10?¹²M(相當(dāng)于 1 升溶液中含約 0.3 微克 BPE)，且在 10??M 至1 0?¹²M 濃度范圍內(nèi)，特征峰強(qiáng)度與濃度呈現(xiàn)良好的線性關(guān)系(相關(guān)系數(shù) 0.9827)。這種高靈敏度源于芯片表面高密度的熱點(diǎn)分布——每平方毫米內(nèi)的交叉結(jié)構(gòu)熱點(diǎn)數(shù)量可達(dá)數(shù)百萬個(gè)，增強(qiáng)因子超過 10?。

圖3.不同濃度的檸檬酸咖啡因的拉曼光譜(詳情請查看原文)

02. 臨床應(yīng)用：早產(chǎn)兒藥物監(jiān)測的探索

在針對早產(chǎn)兒呼吸暫停(AOP)的治療中，枸櫞酸咖啡因的血藥濃度需嚴(yán)格控制在 8-30 mg/L。但在臨床應(yīng)用中，由于針對新生兒的采樣難度高等原因，對其血藥濃度的檢測十分困難，這種有效檢測手段的缺乏也給 AOP 的治療造成了極大的阻礙。研究團(tuán)隊(duì)用人工尿液稀釋藥物，測試芯片對咖啡因的檢測能力，發(fā)現(xiàn)在 2-1000 mg/L 濃度范圍內(nèi)，505.2 cm?¹ 處的特征峰與硅信號的比值和濃度呈線性相關(guān)(相關(guān)系數(shù)0.90838)。更重要的是，在臨床樣本測試中，芯片檢測結(jié)果與色譜-質(zhì)譜法具有高度一致性，為床邊快速檢測提供了可行性。

圖4.使用 HORIBA LabRAM HR800 顯微激光共聚焦拉曼光譜儀和便攜拉曼光譜儀結(jié)合 SERS 基底獲取的尿液中檸檬酸咖啡因拉曼光譜。(詳情請查看原文)

儀器貢獻(xiàn)

“我們這項(xiàng)研究使用了 HORIBA LabRAM HR800顯微激光共聚焦拉曼光譜儀。在這項(xiàng)研究中，我們使用高精度的拉曼光譜儀用于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證及模型建立，便攜式或臺式拉曼光譜儀用于現(xiàn)場采集。HORIBA 的這臺拉曼光譜儀檢測精度較高，便于痕量物質(zhì)的檢測及實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷慕ⅰ?ldquo;研究人員表示。

HORIBA LabRAM HR800 現(xiàn)已全新升級為 LabRAM Odyssey 高速高分辨顯微共焦拉曼光譜儀

未來科學(xué)

“納米技術(shù)在精準(zhǔn)醫(yī)療中擁有巨大的潛力。通過材料設(shè)計(jì)與檢測方法的創(chuàng)新，可以讓先進(jìn)的光譜技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向病床邊，為實(shí)現(xiàn) “個(gè)性化醫(yī)療” 提供了新的工具選項(xiàng)。“研究人員表示。

作者單位

清華大學(xué)納米科技研究中心是具有國際先進(jìn)水準(zhǔn)的開放式納米技術(shù)科研基地，由富士康企業(yè)集團(tuán)捐資與清華大學(xué)共同建立。納米科技研究中心充分發(fā)揮清華大學(xué)科技人才優(yōu)勢，并結(jié)合企業(yè)的產(chǎn)業(yè)化優(yōu)勢，以信息產(chǎn)業(yè)為背景，開展納米技術(shù)的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，促進(jìn)科研成果的產(chǎn)業(yè)化，并培養(yǎng)納米科技人才。中心大樓集納米材料與器件的研究、制備、測試、開發(fā)以及學(xué)術(shù)交流等功能于一體，擁有完備的實(shí)驗(yàn)設(shè)備及空間條件，為納米科技的各個(gè)環(huán)節(jié)提供先進(jìn)的開放式研究環(huán)境。

引用本文

Yuanhao Jin, Ji Wang, Lijuan Lin, Haitao Yang, Lihui Zhang, Shoushan Fan, Qunqing Li and Feng Xu. Versatile Silicon-Based Surface-Enhanced Raman Spectroscopy Chip for Quantitative Sensing and Point-of-Care Applications.

Advanced Materials Interfaces, 2025, 2500375.

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HORIBA（中國）

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