该研究提出了一种通过简单、精确与有效的双光子聚合（Two-photon polymerization，2PP）技术制备表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman spectroscopy，SERS）的新型光纤探针，在光纤端面通过双光子聚合技术制备了纳米结构SERS阵列并优化了阵列的设计、几何形状和排布，以罗丹明6G为探针分子，检测极限可达10-7M，SERS光纤探针增强因子可达1300，并展示了可快速检测活大肠杆菌的能力。此项研究具有高可控性和可重复性，非常适合大规模制备和生产等特点，是使用光纤SERS探针检测未标记活细菌的首次报道。
在此项研究中，激光经由光纤入射到SERS阵列，激发表面等离子体激元（Surface plasmon polaritons, SPPs）并在阵列的纳米缝隙中产生热点（hotspots），从而增强拉曼信号，再经由光纤收集并传回光谱仪进行探测。拉曼光谱（Raman spectroscopy）和红外光谱同属于分子振动光谱，可以反映分子的特征结构，拉曼光谱与SERS技术在表面科学以及生物医学等领域得到广泛应用,成长为一种非常强大的分析工具。
为了优化双光子聚合技术的制备流程以及SERS性能，该研究论文还探索了从二维到三维的多种微纳结构阵列，并详尽优化了六角形排布的体元素间距，基于SPP波矢量与衍射光波矢量间的动量守恒，在理论上计算了最优体元素间距，并在实验中得以验证，从而使SERS阵列实现最佳的信号增强与最好的传感性能。本研究通过扫描电子显微镜图像、光学显微图像与拉曼强度分布图像，充分证实了通过双光子聚合技术制备SERS六角形排布体元素阵列的优势，如高可重复性高与一致性。产生SERS 热点的两个常用途径是化学合成与传统微纳制备工艺，化学合成方法需金属离子的化学还原与在溶液中纳米粒子的生长与修饰，传统微纳制备工艺，如光刻、电子书刻蚀、聚焦离子束刻蚀等制备方法，制备出的结构在一致性、可控性、可重复性、制备效率以及制备流程复杂性上具有挑战，对纳米结构间距控制得不理想，结构在端面分布也不均匀，更重要的是，制备后有毒的残留物质极大地限制了其在医学上的应用。
此研究使用的双光子聚合是一种无掩膜、微尺度的3D打印技术，分辨率可达到数百纳米，通用性很高，非常适用于基于微小尺度基底的制备，尤其在可在光纤端面制备复杂微小结构中发挥重要作用，双光子聚合技术已在微纳光子学、微机器人等研究领域得到了越来越多的应用。该论文的一大亮点在于，采用基于SERS的熔融石英平板基底和光纤探针首次对未标记活大肠杆菌实现了2.5ms和1s的快速检测，这一研究成果表明新型光纤探针在体内诊断等方面有巨大的应用前景。
该封面论文 (Adv. Optical Mater. 2020, 8, 1901934) 链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adom.202070035
