0　引言

随着科学技术的发展，微量、快速、高灵敏度的生化检测成为时代发展的要求，常规的检测技术很难实现样品微量化检测，而微流控芯片体积微小，反应速度快，以其微米级通道结构实现了纳升甚至皮升级的样品消耗量，引领了时代发展的潮流。基于微流控技术的掌上实验室可以将常规实验室功能整合到数平方厘米的芯片上，自其问世以来，因具有微型化、高通量、试剂用量低、易于与其他设备集成等优势被广泛应用于生物检测、化学合成、医学检测等领域。与此同时，用于检测芯片内反应的各种检测技术也得到了巨大发展，主要包括电化学检测、质谱法、光学法等。光学检测由于非接触性、便捷等原因，应用非常广泛，例如：荧光检测、吸光度检测、化学发光检测、拉曼光谱等。但是由于芯片内部通道结构微小，微量检测样品难以实现与常规探针的有效接触从而大大降低了测量信号的强度。因此，在满足微量化检测的同时，如何放大检测信号成为一个关键性问题。表面增强拉曼技术在微纳结构的支持下可以获得高达106～1014倍的分子振动信号增强，具有单分子探测能力。其以无损伤、无接触、高灵敏度和高选择性等优势，在环境检测[1-3]、食品安全[4-5]，生物医学诊断[6-7]等领域具有广阔的应用前景。表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman scattering,SERS)与微流控芯片相结合具有独特的优势：超高灵敏度适用于微流体通道，实现样品的痕量分析；激光束直接聚焦在检测区域，提高了检测速率；不与反应物直接接触，避免对反应体系的干扰；具有特定指纹光谱，能对混合物进行分析、鉴别，简化检测分析流程。此外，微流控芯片可以以可控的方式形成特定的SERS纳米增强结构，极大提高检测信号的重现性，实现样品的定量检测分析。目前，微流控芯片与表面增强拉曼技术相结合的综合交叉性研究与发展已成为重要的研究课题。

老巴说：“笑什么笑？这都是你努力来的，爸爸高兴。你姆妈死后，我就没有开心过。你今天算是让爸爸开心了一回。”

目前对于SERS生物传感器的研究，利用微流控芯片获取可控性SERS纳米增强结构以及利用SERS活性基底增强、重现SERS信号成为主流趋势。本文以上述趋势为出发点，对微流控SERS传感器的最新研究进展进行分析，综述了金属纳米粒子的可控性聚集、固态SERS活性基底对SERS信号的增强和重现产生的影响以及SERS生物传感器在临床免疫测定应用中的最新研究进展，以期为进一步深入研究SERS生物传感器提供参考，同时为实现便捷、智能的SERS生物传感器系统的研究提供科学依据。

1　SERS的热点增强结构

SERS检测是一种高敏感性、高选择性和快速检测生物标记分子的新兴检测技术，具有极高的灵敏度和复用潜力[8]，在提供试剂的结构信息和动态过程的实时观察方面具有良好的优越性[9-10]。SERS信号增强主要取决于粗糙的金属表面或金属纳米结构，尤其是金属纳米结构之间产生“热点”效应时，SERS增强因子可达1014～1015倍[11]，所以以良好的控制方式形成金属纳米结构作为SERS检测的活性点显得尤为重要。

分别对QCC活动的有形成果和无形成果进行确认。有形成果是直接的、可定量的、经过确认的效果，目标达成率与进步率的计算公式：①目标达成率=[（改善后数据—改善前数据）/（目标设定值—改善前数据）]×100%=[（15.17%-46.28%）/（15.68%-46.28%）]×100%=92.59%。②进步率=[（改善后数据—改善前数据）/改善前数据]×100%=[（46.28%-15.17%）/46.28%]×100%=67.22%。通过改善后的柏拉图可以清楚地看出，开展品管圈活动，使急诊不合理处方数明显减少，具体见图4。

1.1　微流体通道中金属纳米粒子的可控性聚集

基于固态SERS基底的微流控芯片虽然能够解决混合时间长、通道堵塞以及分析物污染等问题，但是固态SERS基底其自身也存在缺陷。目前许多含有固态SERS基底的微通道大多使用诸如适体之类的接头将分析物捕获到增强位点以改善信号的稳定性，但是使用表面修饰和适体接头的SERS信号使通道制作和光谱解释变得复杂[27]。Zhao等[28]利用固态SERS基底制作出嵌入式等离子纳米柱阵列的微流控芯片，并将其用作原位SERS检测平台。此纳米柱阵列不仅解决了由表面修饰物或适体接头带来的问题，而且增加了固态基底的体表面积，促进了分析物质的均匀吸附。在无涂覆干扰层或接头分子的情况下获得相同可靠的SERS光谱信号。Buja等[29]报道了使用SERS在线监测孔雀石绿(malachite green,MG)残留物的微流体装置。该装置利用激光诱导合成金或银纳米颗粒斑点，制备具有良好再现性的SERS活性基底。其可在几分钟内完成对SERS活性斑点的合成、MG对金属表面的吸附、分析物的检测以及对MG的解析的监测。此外，更重要是在MG完全解析后，可以实现SERS活性斑点的再生。

以上研究表明，基于固态SERS基底的纳米结构在SERS信号增强与重现方面具有显著的优势。在检测过程中既避免了分析物的污染，又增加了基底的体表面积，促进分析物更加均匀地吸附在纳米结构表面。随着微加工制造技术的快速发展，允许在微流体设备中集成各种多功能元件，使得多功能可再现的SERS检测系统具有广阔的发展前景。

截至2018年6月底，全县培育壮大专业合作社、农业企业等1000个，发展“黄水人家”1000户；农业实现“成百上千”目标（即建成100万亩特色种植基地和1000万只／头养殖基地）；各类生产经营主体带动贫困户增收脱贫实现了全覆盖。

总之，无论以何种方式形成金属纳米粒子聚集体，最终目的都是增强SERS信号、提高SERS信号的重现性，实现样品的定量性分析。虽然可控性纳米粒子聚集体能使SERS信号得到增强和再现，但是在形成聚集体之前必须先将金属纳米粒子与分析物混合，然而在混合过程中不可避免地会对分析物产生一定的污染，进而影响后续的SERS检测结果。因此，在此方面，固态SERS基底的发展至关重要。

除电场之外，磁场也被用于纳米粒子的聚集。最近，Huang等[22]报道了一种利用磁场聚集纳米粒子的方法，通过在含有磁性活化镍(Ni)微孔的微流体装置外部施加磁场实现了对微通道内核-壳磁性纳米粒子的可控性聚集。利用此方法形成的纳米粒子聚集体在SERS检测过程中不仅能增强SERS信号、提高纳米孔内的SERS检测限，而且与机械聚集法相比，SERS信号分布更加均匀。

1.2　用于微流控芯片的固态SERS基底

SERS系统最初与微流控芯片结合时通常是基于贵金属胶体颗粒。在此类系统中，增强的SERS信号是由纳米粒子聚集体之间的“热点”产生，但是金属纳米粒子在微通道内聚集可能消耗大量的时间，降低了检测效率。而且，SERS是短程效应，保持分析物与增强表面的充分接触对于有效、稳定的SERS检测至关重要[23]。

固态SERS基底通常是在平坦衬底上沉积具有固定纳米角顺序的金属纳米颗粒阵列。此纳米颗粒阵列能更好地控制SERS信号的增强间隙或“热点”[24]。在微流体通道内利用固态SERS基底作为检测段，不仅可以极大提高SERS检测的再现性，而且可以解决因胶体褪色引起的堵塞、污染等问题。Shailabh Kumar等[25]利用纳米压印光刻技术在悬浮膜上制作具有均匀、可重复几何图形的金属纳米孔阵列作为光流体底物。该纳米孔阵列能够快速流过由表面张力驱动的纳米孔，促进分析物向等离子激元热点吸附。与固定式纳米孔阵列相比，其可以将测量所得的SERS信号强度提高50倍，因此其表现出具有改善SERS检测信号和分析物运输的潜力。Joseph Parisi等[26]利用原电偶置换法在微流体通道内制备了具有高活性银纳米粒子(AgNPs)的SERS底物。该方法不仅可以控制AgNPs的形状、尺寸和密度，而且能够通过预先图案化的Cu衬底来控制SERS检测区域的形状和尺寸，从而精确控制位置并获得高重现性和一致性的结果，该方法为制造出具有高性能的微型SERS检测系统开辟了一条新途径。

微流控芯片结合SERS为快速和高灵敏度的化学分析提供了良好的平台。而实现SERS系统与微流体装置结合的常规方法通常有两种[12]：(1)在液体样品中操纵纳米结构；(2)通过使用纳米结构制作SERS感应区域。由于纳米粒子在胶体悬浮液中的随机动态分布决定了非聚集胶体SERS检测法难以提供稳定性信号[13]。固体胶体中未聚集的SERS活性纳米颗粒之间的间隙过大阻止等离子体质子与颗粒之间的耦合[14-15]，因此无法提供足够增强的SERS信号。高灵敏度SERS信号主要取决于金属纳米颗粒的聚集形式[16]，因此以何种方式形成金属纳米粒子聚集体成为了SERS生物传感器领域的研究热点。Huang等[17]利用介电泳(dielectrophoresis,DEP)力捕获纳米颗粒嵌入珠(nanoaggregate-embedded beads,NAEBs)。该DEP芯片通过在嵌入式电极上施加交流电压，利用非接触性的DEP力捕获单个模拟病原体，将其悬浮在4个铝电极的中心十字处，用于随后的拉曼光谱检测。由DEP力数学表达式可知[18]，DEP力属于梯度力，其大小主要取决于应用电场的电场梯度和电场强度，而电场梯度和电场强度由电极形状和空间分布决定。因此电极结构的设计与制造往往决定芯片的性能。

磁控溅射法和ITO刻蚀法是常用的微电极制造法，但是受到微加工技术的限制，一般被用于制造微米级电极结构。模板剥离法是一种尖端制造技术，其能够产生具有亚纳米级的金属表面和结构[19-20]金属尖端，与其他电极结构相比，尖端电极结构能产生更强的梯度电场。Jincy Jose等[21]利用模板剥离法制作金字塔形尖端，通过导电环氧树脂将金字塔尖端与导线相连构成尖端电极。利用尖端电极实现了微米或纳米级粒子的捕获和释放。此外，当芯片顶部尖端电极与底部电极发生耦合时，可将其用作三维介电泳阱。目前DEP技术正在发展成为一种强大而又灵活的工具，被应用于微米甚至纳米级粒子的平移运动。

2　临床免疫测定中SERS生物传感器的应用

2.1　基于免疫磁珠的SERS免疫测定法

在SERS免疫测定技术发展过程中，一些学者发现SERS活性基底对提高SERS免疫测定的敏感度具有重要作用。电磁场增强不仅仅在金(Au)或银(Ag)纳米颗粒之间产生，还在SERS活性底物上产生[35]。在SERS增强方面，Ag比Au表现出更强的增强效果，但是Au与Ag相比具有高度的化学稳定性，避免了免疫测定过程中变性问题[36-37]，因此Au作为SERS活性底物优于Ag。此外，形态均匀也是构建SERS活性基底的重要因素。Zhang等[38]利用聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)自身的特殊性，原位合成了PDMS-金纳米复合膜。根据Zhang等报道的方法，Fan等[39]在微通道内原位合成金底物，并利用PDMS-金纳米颗粒表面上的典型夹心结构完成SERS的免疫测定。为了利用SERS活性基底进一步提高SERS免疫测定的灵敏度，Kamińska等[40]开发了一种基于Au或Au-Ag涂层的GaN新型SERS活性底物，并且其具有聚束纳米柱。利用该底物制作的SERS平台具有非常强的表面增强因子(高达1×107)以及高稳定性和高重现性[30]，因此可以用于设计具有高效SERS活性基底的分析应用平台。该课题组结合GaN新型SERS活性底物与标记方法的优势开发了一种基于三层夹心结构的新型SERS免疫测定系统，用于检测人体微血管内的血液或血浆中的乙型肝炎病毒抗原[41]。该系统将固体SERS平台嵌入微流体装置中，为免疫反应提供了更大的活性平面，从而提高了免疫测定系统的性能。

在临床诊断过程中，蛋白质生物标志物能够在分子水平鉴定物种而被广泛用作疾病诊断的靶标。但是单一蛋白生物标志物分析可能存在生物信息转化不足的问题，因此迫切需要可以检测具有敏感性、特异性的多重生物标志物的诊断平台[42]。

2.2　基于固体SERS活性基底的SERS免疫测定法

SERS具有非破坏性、超灵敏性、可靠性以及快速检测等优点，在临床免疫测定中被广泛应用。迄今为止，已利用SERS免疫测定法定量检测出多种生物标志物。基于初级抗体缀合磁珠(作为底物)、第二抗体以及抗原缀合的SERS纳米标签(作为探针)的夹心式免疫测定法[30]是最常用的SERS测定方法之一，但是该方法在免疫测定过程中可能存在交叉反应、测定耗时的问题[31]。为避免这些潜在问题的发生，Chon等[32]开发了基于SERS纳米标签与磁珠捕获的SERS竞争性免疫测定技术，该技术具有快速性和灵敏性。然而若使用常规微管和磁棒，该免疫测定技术又可能存在磁性免疫复合物在微管壁上分布不均匀，对磁场强度有特定要求等问题，又限制了该技术的应用。Rongke Gao等[33]报道了基于SERS的螺线管嵌入式双通道微流体传感器芯片，其灵敏度随着磁珠捕获抗体负荷密度的增加而提高。该装置利用磁珠作为抗体支持材料解决了平面衬底“热点”分布不均匀性导致的对平台场地的依赖问题[34]；利用电源控制磁场开和关可以使轭型螺线管快速接通或断开，这是电磁体在微流体系统内超过永久磁体的关键优点。此外，该芯片实现PGA的免疫性测定的自动化，这对SERS免疫性检测的自动化系统的研究具有重要参考价值。

2.3　基于多重生物标志物检测的SERS免疫测定法

电子现金方式因与硬件安全载体捆绑，需要与移动运营商或手机厂商合作，开通手续较为繁琐，用户门槛和限定较多，不利于大面积推广。HCE技术脱离了硬件安全载体，以软件的方式解决了安全载体的问题，但认证信息和密钥信息存储在NFC设备内存中，容易被复制，对交易安全有一定影响。HCE技术只用于安卓系统，影响用户的推广。ODA信用消费技术体现了“脱机刷卡，延迟联机扣款”的特点，容易产生单边交易不能结算票款。升级版ODA方案解决了进出站记录配对的问题，但IOS系统不能开通自由读写区，用户群体受到限定。

目前，单克隆抗体(monoclonal antibody,mAb)是用于生物标记抗原检测的标准亲和试剂。但是高特异性mAb的隔离和制造不仅价格昂贵而且十分耗时。随着科学技术的发展，虽然已经开发了替代亲和试剂，但是由于其本身可能存在一定的缺陷，例如缺乏特异性或稳定性，限制了其在临床诊断中的发展。为解决这些局限性问题，Grewal等[43]开发了nanoyeastscFv (NYscFv)亲和试剂，它通过与scFv表位标签特异性表面上的抗体的结合而富集。由于NYscFv具有成本低、稳定以及高度特异性的特点，可以将其作为敏感、准确的多重检测病原体抗原的亲和试剂。在他们后期的研究中，利用新开发的NYscFvs作为替代亲和试剂、二氧化硅包被的高纯度SERS簇作为敏感标签[44]，与多通道微流体装置相互结合，开发了双链体抗原检测平台。通过在三通道微流体装置中同时进行双相抗原检测实验，证明该平台可以实现多种病原体抗原的同时检测。然而，该方法只适用于检测由病原体引起的疾病，而并非所有疾病都是由病原体引起的(如癌症等)，因此在临床应用中表现出一定的局限性。为突破这一限制，Shiddiky等[45]在前期研究中证明了交流电动力学(alternating current electrohy drodynamics,ac-EHD)表面剪切力能够显著降低非特异性吸附能力。在2017年该课题组通过SERS检测方法扩展了该方法的实用性，提出了一种从复杂生物样品中快速、灵敏以及平行检测多种癌症特异性蛋白生物标志物的微流体平台[46]，将其应用于多种乳腺癌、肺癌和卵巢癌生物标志物的平行检测。该平台首先利用ac-EHD诱导的表面剪切力和SERS纳米标签组合从临床样品中同时捕获多种癌症蛋白质生物标志物。再利用ac-EHD流体流和SERS光谱编码的组合平行测定多种蛋白质生物标志物。通过实验证明该方法可以同时检测来自患者血清样品中的多种蛋白质生物标志物。并且SERS具有复用潜力，可以将其扩展为用于其他多种生物标记物或疾病的平行检测。

3　小结与展望

本文综述了金属纳米粒子可控性聚集方式，可重复固态SERS基底的制备以及SERS免疫测定法在临床应用中的最新进展，以促进多功能微流控SERS生物传感器系统的研究与开发。高灵敏度、高重现的SERS增强信号是研究开发稳定可靠的SERS检测系统的基础。金属纳米粒子可控性聚集体是获得高灵敏度SERS信号的首要条件，利用外加矢量场可以以高度可控的方式形成金属纳米粒子聚集体，可防止因SERS活性纳米粒子之间间隙过大导致的SERS信号的不稳定性以及信号强度较弱的问题。但是，SERS是短程效应，分析物与金属增强表面充分接触对有效稳定的SERS检测至关重要。固态SERS基底通常是指沉积在平面上具有固定纳米角顺序的金属纳米阵列，是一种具有较大体表面的新型SERS信号增强结构。其不仅能产生具有高强度、高灵敏度的SERS信号，而且极大提高了SERS信号的再现性。在临床免疫检测过程中，SERS生物传感器不仅能快速检测单一生物蛋白标志物，而且基于固态SERS活性基底的生物传感器可以实现敏感性、特异性生物标记物的同时检测。但目前具有固态SERS基底的微流控芯片仍依赖于昂贵复杂的微纳加工技术，从实际应用角度来讲低成本、灵活简便、高效的固体SERS基底制造更加适合在实际中应用。

目前，已有很多学者开发了支持SERS生物传感器的多功能微流控芯片系统，然而这些SERS生物传感器系统必须结合大型昂贵的仪器设备才能使用，并不适合于现场的分析检测。随着科学技术的发展，便携式移动智能设备(例如智能手机、手环等)已经成为时代发展的潮流，例如将一个SD卡或SIM标准卡大小的SERS检测芯片插入到便携式智能检测设备中，通过智能检测分析，由LED屏显示检测结果。那么如何实现微流体SERS生物传感器检测设备的便携化和智能化是现代微流体SERS生物传感器检测系统的一个挑战。随着微加工技术与嵌入式系统的发展，激光、拉曼光谱仪和微流控芯片可以相互集成，这为实现智能化的SERS生物传感器检测设备提供重要的技术支持。总之，在不久的将来，便携式智能化的微流体SERS生物传感器检测设备将在医疗保健、环境监测以及食品安全等领域得到广泛应用。

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村庄是农村基层农民的居住地。传统村庄呈现布局分散、规模小等特点。在城乡一体化加速推进的过程中，乡村发生了翻天覆地的变化。随着城乡空间的融合发展，村庄居住人数越来越少，导致村庄生产活动不能够满足城市发展的需要。因此，对村庄空间的整治有利于乡村空间改造并融入城乡空间发展体系。