近日，中国科学院近代物理研究所材料研究中心团队与香港城市大学等单位合作，提出一种具有优异聚焦容忍性和结构稳定性的三维表面增强拉曼散射（Surface-Enhanced Raman Scattering，SERS）衬底的设计方法。相关研究成果发表在《先进功能材料》（Advanced Functional Materials）上。

SERS 技术通过增强材料表面的局域电磁场强度，实现对低浓度分子拉曼散射信号的显著放大，在生化传感、生物医学成像、食品安全与公共安全等领域具有重要应用前景。然而，随着应用场景由实验室向现场检测和实际部署拓展，传统 SERS 衬底在激光聚焦容忍性不足以及结构附着稳定性有限等方面的问题日益凸显。

在前期研究中，团队基于离子径迹技术，成功创制了一类突破尺寸极限兼具超高能量吸收能力的纳米梁晶格力学超材料(Nat. Commun. 14, 1243 (2023); Adv. Energy Mater. 13, 2300129 (2023))。基于上述研究基础，研究人员进一步从三维纳米线网格的光学特性出发，设计出一种兼具三维电磁热点分布与高力学稳定性的金纳米线网格 SERS 衬底。

实验结果表明，该金纳米线网格衬底在 20 倍物镜条件下，可在 192.8±19.6 μm的离焦范围内保持约 50% 的 SERS 活性，表现出显著的聚焦容忍性。该衬底对非共振探针分子4-巯基吡啶的检测限低至1×10⁻¹² M，信号均一性高（相对标准偏差RSD < 10%）。由于纳米线在三维空间形成连续的网络结构，该衬底结构极为稳固，能够承受超声波处理、水流冲刷乃至在黄河水等复杂成分环境中直接取样等严苛物理考验，同时保持SERS性能稳定。

在机理研究方面，科研人员通过建立有效介质模型，揭示了衬底优异的聚焦容忍性源于增强的光散射速率、提升的局域光学态密度以及展宽的电磁本征模式之间的协同作用，进而使三维结构具备高效的光捕获能力和显著的近场增强效应。

该项研究工作得到国家自然科学基金、甘肃省科学技术厅及香港研究资助局的支持。

文章链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202525115

图：具有聚焦容忍性和结构稳定性的三维金纳米网格SERS衬底：a-b基于离子径迹技术制备的三维金纳米线网格模型；c金纳米线网格实物的扫描电镜照片，纳米线直径为35 nm；d 三维衬底在20倍物镜下能够在离焦范围192.8±19.6 μm内保持50%的SERS信号；e 超声水应力环境SERS稳定性测试，在30分钟超声后仍能保持信号稳定；f 有效介质模型反映出纳米线网格结构在激发光附近的高局域态密度。

（材料研究中心 供稿）