文 章 | Ding QQ, Chen XY, Jia YL et al. Timeshare surface-enhanced Raman scatteri ng platform w it h sensit ive and quantitative mod e. Opto-Electron A dv 9, 250269 (2026).

第一作者：丁倩倩，陈雪妍，荚耘路

通信作者：程宁涛，杨士宽

研究背景

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering ，简称SERS)传感技术 ，是一种能够“看见”并识别单个分子的超灵敏分析工具1 。 它之所以备受关注 ，是因为它融合了几项独特的特征 ：灵敏度极高 ，理论上可以检测到单个分子； 能提供如同“分子指纹 ”一样的独特光谱信号 ，从而精准地辨别不同物质； 能在同一次检测中分析多种成分； 并且它对水环境不敏感 ，这使得它非常适合用于检测液体样本 ，例如血液、体液或环境水样 ，在生物医学领域具有天然优势。正因如此， SERS被视为分析化学、环境监测、食品安全和生命科学领域的一项革命性技术 ，拥有改变疾病早期诊断、污染物追踪和生化过程研究的潜力2。

这项技术的工作原理 ，可以借助一个形象的比喻来理解 ：想象我们把待检测的微小分子放在一个由金或银制成的纳米级别的“天线森林”里 ，当一束激光照射这片“森林 ”时 ，金属纳米结构表面的自由电子会发生集体振荡 ，形成强烈的局域电磁场 ，相当于无数个微型的“聚光灯 ”， 当一个分子恰好落入这些“聚光灯 ” 的焦点——特别是两个纳米结构之间极其靠近(通常小于10 nm)的缝隙时， 它原本微弱的拉曼散射光信号 ，会被成百万倍地放大， 变成一个可以被清晰看见的信号 。 这个信号放大的核心区域， 就被称为SERS“ 热点 ”。

然而 ，正是这个赋予SERS超凡能力的“热点 ” ，也带来了一个根本性的、几乎无法调和的矛盾。研究发现 ，超过70%的检测信号实际上来自不到1%的、恰好位于“热点 ” 中的幸运分子3 。一个分子在热点中发出的信号 ，其强度可能相当于数百个位于普通区域的分子信号强度的总和。这导致了一个尴尬的局面： 当追求最高的灵敏度 ，希望探测到哪怕只有一个分子时 ，需要制造更多、更强的热点； 但当进行定量分析， 即需要精确知道有多少个分子时 ，这些热点就变成了灾难。 因为仪器无法区分信号是来自一个恰好位于“ 热点 ”

的幸运分子 ，还是来自数百个在普通区域的分子。信号的强弱与分子的数量之间失去了可靠的比例关系 ，定量结果变得极不可靠。 由于分子在传感器表面的吸附是随机的 ，我们几乎不可能让所有分子都贡献一样的信号强度。 因此， SERS的超高灵敏度与可靠定量能力在传统设计框架下很难兼得。这一矛盾， 限制了SERS的实际应用。

为了破解这一难题 ，浙江大学杨士宽教授研究团队提出并实现了一个创新性概念——“分时共享 ”弹性SERS基底 。其核心思想是设计一个能够根据检测任务的需要 ，主动、可逆地改变自身的微观结构 ：在需要超灵敏探测时， 它收缩自身 ，让纳米粒子紧密靠拢， 瞬间激活大量强“ 热点 ” ，具有超灵敏检测能力； 在需要精确计量时， 它又舒展开来 ，将纳米粒子均匀拉开 ，消除那些带来定量干扰的强热点 ，具备强定量检测能力。这一构思巧妙地绕过了传统静态设计无法解决的根本矛盾 ，为构建兼具超高灵敏度和强大定量能力的下一代SERS传感器 ，开辟了一条全新的路径。

本文亮点

第一 ，研究思路 ：从“静态妥协 ”到 “动态分时 ” ：本研究提出了 “分时共享 ” 的SERS平台新概念。传统思路是在材料设计上寻求静态的折衷 ，而本研究则转向构建一种智能、 可重构的动态传感界面。该平台并非同时追求两种性能 ，而是允许使用者在同一器件上 ，根据检测任务的需要 ，主动、可逆地在 “定量模式 ” 与 “灵敏模式 ” 之间进行切换。这一理念将原本互斥的性能需求在时间维度上解耦 ，从根本上规避了长期困扰SERS领域的固有矛盾（图1）。

图1 分时共享SERS平台的工作原理图

第二 ，研究方法与设计 ：研究团队通过一种精巧而简洁的材料体系实现了上述理念。他们将单层金纳米球薄膜转移到具有刺激响应特性的水凝胶弹性基底上。水凝胶的体积可随外界环境(如离子强度、 pH值)变化而发生溶胀或收缩 ，这一宏观形变直接调控着表面

金纳米球之间的纳米间距。当水凝胶溶胀时，纳米球间距增大，“热点”消失，平台处于信号增强均匀的状态，适用于需要高精度定量的分析；当水凝胶收缩时，纳米球被挤压靠拢，密集的强“热点”网络瞬间形成，平台切换至超高灵敏度模式，用于探测痕量甚至单分子水平的目标物。整个切换过程不改变已吸附分析物分子的空间分布，确保了两种模式下数据的可比性与关联性。这种“以柔克刚”、利用柔性基底宏观形变控制纳米尺度电磁场分布的方法，体现了功能集成的巧妙设计(图2)。

图2 分时共享SERS平台制备过程的示意图及表征

第三，检测结果：杨士宽教授研究团队通过系统实验，验证了该分时共享平台的双重功能。他们使用同一基底，在定量模式下，对分析物(4-硝基苯硫酚)实现了宽线性范围、高重复性的浓度测量；随后，通过简单触发水凝胶收缩切换到灵敏模式，成功检测到了在定量模式下无法观测到的超低浓度同一分析物(图3)。

图3 分时共享SERS平台定量与灵敏模式的表征

当然 ，该技术迈向更广泛的应用仍需进一步突破 ，例如通过集成二维金纳米三角片等高增强纳米结构来进一步提升绝对灵敏度 ，以及开发能耐受有机溶剂或极端pH环境的复合水凝胶体系以拓展其样品兼容性。这些正是未来研究需要聚焦的方向。总而言之 ，这项工作标志着SERS传感从 “功能固定 ”迈向 “功能可编程 ”的重要一步。 它不仅仅创造了一个高性能的传感器 ，更重要的是开辟了一条通过材料与结构的动态设计来解决传感领域固 有 挑 战 的 新 路 径 。 该 工 作 以 “Timeshare Surface-Enhanced Raman Scattering Platform with Sensitive and Quantitative Mode” 为题， 发表在 Opto-Electronic Advances 2026年第1期 。 本工作得到国家自然科学基金(12304422， 52501261 ， 52273233) ， 中 国 博 士 后 科 学 基 金 (512200-X92103) ， 江 苏 省 自 然 科 学 基 金(BK20230911)， 中央高校基本科研业务费专项资金(30923010209)， 内蒙古自治区自然科学基金(2025QN05053)资助。

参考文献：

1. Nie Sm, Emory SR. Probing Single Molecules and Single Nanoparticles by Surface-Enhanced Raman Scattering. Science 275, 1102-1106 (1997).

2. Langer J, Jimenez de Ab erasturi D, Aizpurua J, Alvarez-Puebla RA, Auguié B, et al. Present and Future of Surface-Enhanced Raman Scattering. ACS Nano 14, 28- 117 (2020).

3. Fang Y, Seong N-H, D lott DD. Measurement of the Distribution of Site Enhancements in Surface-Enhanced Raman Scattering. Science 321, 388-392 (2008).

研究团队简介

浙江大学杨士宽教授团队核心研究方向聚焦于面向生物医学检测与环境监测的超灵敏传感材料 、技术与器件 。 以仿生学思想为指导 ， 致力于发展先进的电化学沉积等微纳制造技术 ， 可控合成具有特定分级结构的微纳米阵列 ， 并以此为核心 ， 研发高性能表面增强拉曼散射(SERS)传感器件 。研究成果在重大疾病早期诊断 、污染物痕量检测等领域展现出重要应用潜力 。 团 队 迄 今 已 在 Nature Synthesis 、 Nature Communications(4 篇 ) 、 Science Advances、 PNAS, Adv. Mater. 、 Adv. Funct. Mater、 ACS Nano等国内外期刊发表论文120 余 篇 ， 引 用 10000 余 次 ， h 因 子 为 47 。 研 究 成 果 被 数 十 家 国 际 知 名 媒 体 报 道 ， 包 括ScienceDaily 、 KurzweiAl 、 NSF等 。 团队现有博士后 、 博士生 、 硕士生及科研人员十余名 ， 已培养毕业多位优秀博士和硕士。

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2022年博士后丁倩倩出站时的课题组合影

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