微流芯片中表面增强拉曼光谱检测研究

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随着工艺水平的提高微流控芯片受到越来越多的关注,微流控芯片在化学、物理、光学和生物等领域具有广泛的应用。由于表面增强拉曼散射(SERS)技术在微量检测和生物化学分子检测中表现出其良好的特性,SERS检测技术在微流控芯片中的应用迅速发展。SERS检测技术是基于金属纳米结构的局域电磁场增强效应的原理对目标分子进行超灵敏光谱分析的技术。典型的纳米颗粒有金、银、铜、铂等,这些金属由于局部表面等离子体共振(LSPRs),产生了光学吸收和散射特性。微流体装置与SERS检测技术的结合,能够获得更高灵敏度、快速便捷的目标分析物的检测。但是,目前有很多研究制备SERS基底的方法复杂、耗时长以及价格昂贵,所以,本文提出了三种制备微流控SERS芯片的方法,并对SERS基底的形貌、尺寸以及结构特征进行了表征。首先,介绍了一种利用多元醇法及加热法在微流控芯片中制备均匀基底的方法。通过场发射电子扫描显微镜SEM图像和分子SERS增强探索了在微流管道中对银前体溶液单次加热8分钟以及对多次主次银前体溶液加热4次的方法可以制备SERS信号最强的基底。另外,我们利用时域有限差分法(FDTD)简要分析了颗粒大小以及颗粒间距的二聚体电场分布情况。与此同时,我们通过拉曼散射技术,发现基底对分子的拉曼信号具有良好的重现性。最后,我们制备的基底对于亚甲基蓝MB目标分子的检测极限是1×10-7 M。该方法在微流管道中可以制备出均匀的银纳米颗粒活性基底,且方法简单便捷、成本低。其次,我们还在微流控芯片中以铜片为衬底利用化学置换反应方法制备银纳米颗粒活性基底。用SEM图像和分子SERS增强探索了在直管道中的活性基底在距入口2 mm的位置点可以产生最高的拉曼信号。该装置具有检测化学分子(例如MB)和生物分子(例如尿素)的能力;同时,该装置还可检测水溶液中的汞离子,且对汞离子具有良好的选择性,其检测极限为1×10-7 M。此外,我们制备了“圣诞树”结构的SERS基底,并证明了该装置可以形成集成浓度梯度微反应器并实现了SERS检测。该方法制备活性基底不需要加热,耗时更短,成本低且基底具有多功能化,具有广泛的应用。最后,我们还提出一种通过置换反应在微流管道内制备了三维Cu@Ag NPs SERS基底。通过实验验证,2 m M的硝酸银原溶液通入管道中制备20 min时得到的Cu@Ag NPs结构基底可获得最强SERS信号。此外,还探索了激光从微流芯片的玻璃面去采集拉曼信号是最好的。该三维微流控传感器对化学分子MB的检测极限为1×10-7 M。该装置还具有检测生物分子(如尿素和三聚氰胺)的能力。与此同时,该三维装置不仅对癌细胞具有SERS识别作用还可作为一个简单的过滤器,我们用紫外光谱和光学显微镜进行了验证。该方法通过简单的化学置换反应制备SERS活性基底,简单便捷、耗时短、成本低,还可作为一个简单的微型过滤器,在生化方面具有广泛的应用。
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