应用于疾病筛查检测的贵金属-介质层结构磁基Fano共振SERS基片研究

Surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) has been widely adopted in application such as biochemical sensing. However, conventional methods that using noble metal nanoparticles, the plasma oscillation accompanies the radiation loss of metal materials, which limits its enhancement effect in the near field. We proposed to study the modulation mechanism of spacer induced magnetic based Fano resonance, and produce a noble metal-spacer structured SERS substrate. By investigating the effects of structural and material parameters on the excitation of superadiation mode and subradiation mode, Fano resonance wavelength, near field intensity and charge distribution, the modulation mechanism of SERS enhancement is comprehended. Establishing the self-assembly production technology of noble metal-spacer structured SERS substrate by using chemical molecules and two-dimensional materials as the building materials for spacer. Finally, SERS substrate will be used to detect the serum samples of patients with colorectal cancer and other diseases. Machine learning algorithm is adopted to analyze the SERS spectral characteristics of patients' serum samples. A prediction model for identifying and classifying unknown samples with high accuracy will be established, thus to achieve the rapid detection and screening of colorectal cancer and other diseases. The research results are expected to provide a new technology for rapid detection and screening of diseases, and promote the application of SERS technology in medical domain.

表面等离子共振增强拉曼散射（SERS）被广泛应用于生化检测等领域，然而利用贵金属纳米颗粒进行增强的常规方法，等离子体振荡将伴随金属材料的辐射损耗，限制了其在近场区域的增强。本项目以研究介质诱导磁基法诺（Fano）共振的调控机理为核心，构建一种贵金属-介质层结构SERS基片。通过研究结构及材料参数对超辐射模式与亚辐射模式的激发以及对Fano共振波长、近场强度，电荷分布的影响，掌握其对SERS增强的调控机理。研究利用化学分子及二维材料作为介质层构建材料，通过化学官能团及聚合物修饰，建立自组装制备SERS基片的先进工艺。最后利用SERS基片对结直肠癌等疾病患者的血清样本进行检测，通过使用机器学习算法分析患者血清样本的SERS光谱特征并建立高准确度的预测模型，从而实现对结直肠癌等疾病的快速检测与筛查。本项目的成果有望为疾病的快速检测与筛查提供新的技术手段，促进SERS技术在医疗领域的应用。

本项目以研究法诺（Fano）共振的调控机理为核心，构建一种高增益的贵金属-介质层结构SERS基片，并将相关SERS基片应用于结直肠癌快速筛查以及农残检测。项目首先对球-膜复合结构进行了数值模拟研究。包括不同波长的电位移移矢量、电场分布及磁场分布，材料、尺寸等参数对Fano共振波长的影响。通过理论仿真解释了球-膜结构Fano共振的超辐射模式以及亚辐射模式的形成机理，获取了其在特定入射光波长下取得高增强的最优物理构型。随后在实验上制备了球-膜结构SERS基底，并验证了复合结构对SERS的增强效果。在应用方面，本项目制备了多种高近场强度增益的贵金属纳米复合颗粒阵列SERS基底。阵列复合体纳米颗粒的形貌控制条件和自组装条件也通过实验摸索获得。项目组首先针对结直肠癌开展血清快速筛查。通过对基片咖啡环不同区域的SERS信号强度及均一性进行研究，理论解释了外环血清信号强度高、稳定性好的机理。进一步的，利用支持向量机对采集到的样本SERS光谱进行分析，并将与临床癌胚抗原值与光谱数据组成新的数据矩阵，使得检测灵敏度和总体准确率达到90%以上。本项目进一步的研究了利用模板辅助磁力自组装工艺制备紧密堆叠的3D阵列SERS基底。纳米颗粒的紧密垂直堆叠结构带来更多的“热点”产生，结构对于入射光在垂直和平面内耦合的协同效应使其获得极大的SERS增强。制备的SERS基底被应用于土壤农残六氯苯的检测。此外，针对水果及蔬菜表面农残的擦拭检测，研究了在柔性PET膜上制备纳米腔结构阵列，并在纳米腔中自组装金纳米颗粒。柔性基底上的纳米腔作为内部金纳米颗粒的保护结构，可以大大提高其在擦拭采样过程中的抗划伤能力。制备的柔性SERS基底被应用水果及蔬菜表面6-BA的农残检测。综上所述，本项目研究的SERS基质作为一种成本效益高、超灵敏和快速的现场检测工具，在结直肠癌快速筛查和农残检测方面展示出了较强的应用潜力。