集成纳米结构的微流控SERS芯片及其生化应用研究

摘要

微光学检测技术与微流体控制的结合已经成为微流控生化芯片分析的重要发展趋势。表面增强拉曼光谱（SERS）技术具有检测速度快、无需样品预处理、探测灵敏度高、水基干扰小等优点。利用表面增强拉曼光谱技术有望同时具有多种检测方法的优势：无标记分析的简单性、荧光检测的低检出限和拉曼光谱的分子特征识别。SERS与微流控分析技术相结合，有望实现痕量物质成分的高效定性、定量检测。
　　针对微流控SERS芯片存在的SERS增强介质有限、信号重复性差、芯片集成难度大，检测灵敏度低、不可循环重复使用等瓶颈问题，提出了采用自组装-化学镀复合法在微流控芯片微管道中方便可控地制备有序纳米金SERS增强基底，通过对不同条件下制备的纳米金结构与其SERS增强效能的研究和分析，确定了纳米金在微通道中的原位集成制备参数；提出了在微流控芯片上原位集成Au@Ag/TiO2NTs新型复合SERS增强介质结构，并对制备过程的相关参数进行了优化，研究了复合材料中的不同组分之间的协同SERS增强效应，并实现了对二苯胺的光催化降解过程和大肠杆菌的杀灭过程的原位SERS检测；提出了纳米金颗粒修饰的Teflon AF1600液芯光波导与微样品通道相结合的SERS检测芯片新型结构，通过对Teflon AF1600液芯光波导Raman增强理论模型的研究和计算，确立了集成Teflon AF1600液芯光波导的微流控SERS芯片检测系统的结构、检测模式及相关的检测参数，解决了纳米金颗粒、液芯光波导包层介质Teflon AF1600与微流体通道的一体化集成加工问题，研究了集成液芯光波导长度、纳米金包裹密度与集成微结构SERS增强效能之间的构效关系，验证了该集成微结构对生物样本牛血清蛋白的高效SERS响应。
　　本文主要工作如下：
　　①研究了微流控SERS检测芯片的国内外研究现状和发展趋势，分析了微流控SERS芯片分析系统存在的主要不足。本文提出采用自组装-化学镀复合法制备微流控芯片微管道中的有序纳米Raman增强介质结构，并设计制作纳米金修饰的液芯光波导与微样品通道相结合的新型SERS检测微结构，增加Raman增强效率和作用光程，提高检测灵敏度及可重复性；并进一步开展生化应用研究，为微流控SERS芯片在生化分析领域的推广应用奠定基础。
　　②微通道表面制备有序纳米金。利用自组装-化学镀复合法，通过控制制备过程中所用金种子大小、分布密度、化学镀时间等参数调节基底表面分布的纳米金的大小及密度，优化所制备的纳米金的SERS增强效能。结果发现，选用20nm粒径的纳米金种子在玻璃表面自组装12h，并进一步化学镀8min时制备的粒径为55nm、分布密度为225particles/μm2的有序纳米金结构显示了良好的检测可重复性和最优的SERS增强效能，增强因子为0.93×105。探讨了微流控芯片所用盖片材质、厚度对SERS检测效率的影响，结果发现，使用0.4mm厚的PDMS盖片，可将微流控SERS芯片的检测效率提高至无盖片时的68.8％，有效解决了盖片材质和厚度对微流控芯片SERS检测带来的光损耗问题。
　　③微通道内Au@Ag/TiO2 NTs的设计制备及其SERS测试。利用自组装-化学镀复合法，通过对PDDA浓度、化学镀银时间的优化，有效控制了金种子的分布密度及银壳的厚度。结果发现，当金核粒径为18nm、银壳厚度为3.5nm时，微通道中制备的Au@Ag/TiO2 NTs复合SERS增强基底对R6G的检测限低至10-10M，而且613cm-1处Raman峰的强度较微通道中集成的Au/glass、Au@Ag/glass、Au@Ag/TiO2 plate分别提高了20倍、2.3倍、1.6倍。表明该复合纳米结构各组分之间具有良好的协同SERS增强效能，而且其持久稳定的光催化性能使芯片可循环重复使用至少6轮，通过对二苯胺的光催化降解动力学过程和对大肠杆菌的杀灭过程原位SERS检测发现，实验结果符合一级动力学反应规律，而且可以显示中间产物的特征Raman峰。有效解决了微流控SERS芯片不可重复使用的问题，并将微流控SERS检测芯片的应用范围成功拓展至光催化过程检测领域。
　　④集成Teflon AF1600液芯光波导的新型SERS检测微结构及应用测试。采用物理沉积法实现了Teflon AF1600液芯光波导（LCW）在微通道内的原位集成制备，并将微通道内R6G的Raman检测灵敏度提高了2个数量级。并进一步利用自组装法将纳米金颗粒集成到修饰有PDDA的Teflon AF1600 LCW包层膜内表面，解决了Teflon AF1600 LCW、纳米金在微流控芯片上的一体化集成加工关键技术问题。研究了集成微结构中纳米金分布密度、集成微结构长度以及整体SERS增强效能之间的关系。结果发现，当纳米金在集成微结构中的包裹密度为21 particles/μm2时，激发光在其中的作用光程为1.5cm，可实现对10-11M R6G的检测，与常规仅集成了相同密度纳米金的微流控SERS芯片相比，对R6G的检测灵敏度提高了4个数量级，增强因子提高了3.9×103倍，而且对生物样本牛血清蛋白也显示了更强的SERS增强效果及更多的SERS特征峰。表明设计制备的集成微结构对于生化样本的高效SERS检测具有良好的应用前景。

目录

1 绪 论

1.1 微流控SERS检测芯片的国内外研究现状

1.2 微流控SERS检测芯片存在的问题

1.3 研究目的与研究内容

2 微通道内有序可控纳米金的集成制备及其SERS性能研究

2.1 前言

2.2 实验部分

2.3 结果与讨论

2.4 本章小结

3 集成Au@Ag/TiO2 NTs复合纳米结构的微流控SERS芯片的设计制备及效能研究

3.1 前言

3.2 实验

3.3 结果与讨论

3.4 本章小结

4 集成纳米金修饰液芯光波导的微流控SERS芯片的设计制备及效能研究

4.1 引言

4.2 实验步骤

4.3 结果与讨论

4.4 本章小结

5 总 结

5.1 研究工作总结

5.2 论文的创新点

5.3 后期研究工作的展望

致谢

参考文献

中英文缩略语对照表

附录

A．作者在攻读博士学位期间发表、录用的论文目录

B．作者在攻读博士学位期间申报专利情况

C．作者在攻读博士学位期间参与的科研项目