表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS）技术具有无标记、无损、非接触、不受水干扰等优点,可以从分子水平反映待测样本的“指纹”信息,在生化样品的快速检测应用中具有巨大潜力。由于生化样本存在成分复杂、拉曼散射截面小等问题,导致SERS检测灵敏度不高,SERS芯片的一致性也亟待改善。因此研制具有极高增强因子、灵敏度高、均匀性好的SERS芯片,是SERS生化检测研究的重要课题。为此,本文提出了新型多维耦合高增强SERS基底和基于微光学元件的拉曼散射信号收集方法,开展了纳米增强结构仿真、SERS芯片设计、纳米颗粒自组装工艺、信号收集微结构的设计和制备、生化检测实验等研究。论文的主要工作如下:（1）研究了纳米颗粒材料、粒径、颗粒层数以及衬底材料对局域场增强的影响;分析了不同衬底上多层银纳米颗粒的局域电场分布规律;完成多维耦合高性能SERS基底的优化设计;玻璃衬底上四层银纳米颗粒膜SERS基底的最大局域场增强约为162倍;金膜衬底上两层银纳米颗粒膜SERS基底的最大局域电场增强高达408倍。（2）提出了基于倒金字塔微反射腔和PDMS微透镜两种信号收集微结构,对倒金字塔微反射腔的底边长、高度、反射膜材料、反射膜厚度等参数进行了设计,对PDMS微透镜的半径、高度、曲率等参数进行了优化。优化的微反射腔可将信号强度提高约2.23倍,优化的PDMS微透镜可将信号强度提高约5.91倍。（3）研究了银纳米颗粒液-液界面自组装工艺,完成了工艺参数优化,成功制备了“4-AgNPs@glass”、“2-AgNPs@Au film”两种多维耦合SERS基底。“4-AgNPs@glass”SERS基底的增强因子为6.23×10~6,对R6G的检测限为1×10-10 mol/L,SERS Mapping测试其信号相对标准差约为22.3%;“2-AgNPs@Au film”SERS基底的增强因子高达2.5×1010,对R6G的检测限可达1×10-15 mol/L,SERS Mapping测试其信号相对标准差约为11.0%。（4）研究了基于各向异性湿法腐蚀和磁控溅射工艺的微反射腔制备方法,以及各向同性湿法腐蚀和倒模工艺的PDMS微透镜制备方法,完成了微反射腔和微透镜的制备,其中微透镜尺寸相对标准偏差低至0.37%。微反射腔可将SERS信号强度提高约50%,而微透镜可以将SERS信号强度提高约5.03倍。（5）开展了生化样品的SERS检测实验研究。利用SERS芯片可以成功实现对大肠杆菌和金黄色葡萄球菌的快速检测;在重庆市肿瘤医院对肌酐水溶液和血清肌酐进行了测试,肌酐水溶液的检测限为1×10-7 mol/L,血清肌酐的检测分辨率优于10μmol/L,对慢性肾功能障碍病人血清盲样检测的正确率达到90%。论文提出的新型多维耦合增强和基于微光学元件的拉曼散射信号收集方法,对高性能SERS芯片的研制具有重要的指导意义,同时研制的SERS芯片具有增强因子高、信号均匀性佳、可重复性好的特点,非常适合于生化样品的快速、高效检测。