假冒伪造是一个全球性的问题，不仅带来巨大的经济损失，还严重威胁人们的健康和安全（如假药）。防伪标签是最常见的解决方案之一，如传统的全息、水印、条形码等技术，以及新型的基于DNA、多肽、多聚物等的分子探针标签。但是，制造这些标签采用的是某一确定过程，其安全性依赖于制造技术的保密和制造材料的独特，一旦这些障碍被打破，标签就能够被仿造。而新发展起来的基于物理不可复制特征（PUF）的认证系统能够实现高安全性防伪。PUF标签是某一随机过程制造出来的随机图案，通常由微纳米结构的随机分布构建而成。这种标签易于制造却无法仿造，易于识别却难以预测。标签的编码能力是PUF系统非常重要的一个参数，编码能力越高，防伪系统越安全。
光学PUF标签通过读取标签的光学信号来识别标签，具有很多优势。比如，光学读取无需接触、快速、相对方便，且通过选择不同的光谱特征能够实现高编码能力。在光学技术中，表面增强拉曼光谱（SERS）非常适合用于PUF系统。与基于散射的PUF标签相比，SERS标签能够通过颗粒种类进行编码；与荧光相比，SERS颗粒谱峰更窄。因此SERS标签具有更大的编码能力。结合最小二乘法等方法，标签的编码容量还能进一步提高。
近日，上海交通大学生物医学工程学院的叶坚教授课题组在Nature Communications发表了题为Gap-enhanced Raman tags for physically unclonable anticounterfeiting labels的论文。该工作开发了一种基于SERS的PUF 标签，通过将多种缝隙增强拉曼纳米探针（GERTs）混合溶液滴加在硅片上，干燥后得到颗粒随机分布的图案；接着用共聚焦拉曼扫描系统读取标签，得到标签不同像素下的拉曼成像；然后用非负最小二乘法（NNLS）分离混合光谱，并采用全局搜索算法和粗粒化编码方法数字化PUF标签。GERTs信号极强，比荧光探针和一般SERS探针的光稳定性和环境稳定性更好，因此可以反复读取并得到信噪比好的结果，且易于保存。该标签具有三维编码能力，即颗粒的空间位置、颗粒的种类以及颗粒的拉曼强度。本文中，通过对含十种GERTs的PUF标签进行50×50像素的拉曼成像，并进行拉曼强度的四值化编码，能够实现多达3 ´ 1015051的理论编码容量。验真实验表明该PUF系统能够很好地区分相同的标签和不同的标签，保证了其安全性。由于GERTs的超强信号和Horiba扫描系统的优化，可在6秒内实现2500像素标签的读取，大大提高了该标签实际应用的可能性。此外，团队还初步探索了标签实际应用时的制备方式：将标签制造在透明胶带上，并贴到纸或物品表面，模拟标签的实际应用场景。随着光学技术的进一步发展，该PUF标签在构建强力有效的防伪系统上有着广阔的前景。
本研究由上海交通大学生物医学工程学院叶坚课题组完成，硕士生顾雨清和博士生何畅为共同第一作者，叶坚教授为通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、上海交通大学癌基因及相关基因国家重点实验室、上海市妇科肿瘤实验室、上海交通大学医学院附属瑞金医院“广慈教授”项目、上海市科学技术委员会和上海市教育委员会高峰高原学科建设计划的支持。
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