基于液芯波导的双SERS基底芯片研究

摘要

对细菌、病毒、DNA和活体细胞等样本进行快速、准确、无损检测，在生命科学研究领域具有重要意义。表面增强拉曼光谱（Surface-enhanced Raman Spectroscopy,SERS）技术具有检测速度快、样品无需标记、检测灵敏度高等特点，能从分子水平反映样本的内部结构信息，是生命科学领域的重要检测分析工具。将SERS技术与微流体分析技术相结合的SERS芯片，利用微流体通道体积小和SERS检测灵敏度高的优势，可实现对微量、低浓度生物样本的检测。现有的SERS芯片存在激发光功率密度较大、重复性较差和集成度低等问题，难以满足生物样品分析需求。为此，本文提出一种将液芯波导、SERS基底及进出液通道集成一体的SERS芯片，通过减小液芯波导的损耗，增加光和样品分子的作用光程，增强拉曼信号；利用流动液体的平均作用改善信号重复性。最终实现低激发光功率密度、低损耗、高增强和可重复的集成SERS分析芯片，为生物样本的定量分析奠定基础。
　　本论文主要研究液芯波导SERS芯片的相关理论、设计、加工制作及应用实验，具体研究内容如下：
　　①建立了液芯波导前向传输SERS信号的理论模型。重点研究了液芯波导SERS芯片中金属颗粒的材料属性、几何结构、颗粒粒径和分布密度等对局域场增强系数的影响；采用传输矩阵法分析了对称液芯波导的损耗特性；深入研究输出SERS信号强度与液芯波导损耗系数的关系。研究表明：液芯波导中银纳米球粒径为50 nm，分布密度为11颗/μm2获得最大局域场增强；液芯波导最优长度约为损耗系数倒数的0.7倍；芯片中银颗粒密度随机分布时，前向散射检测方式比后向散射检测方式的重复性好。
　　②提出了非全反射液芯波导SERS芯片和全反射液芯波导SERS芯片两种结构，并分别进行优化设计。对涂覆层材料、涂覆层厚度、波导截面积和SERS基底构型等参数优化设计结果表明：非全反射液芯波导采用100 nm厚的金反射薄膜和100μm宽的波导截面时，损耗系数为2×10-3 cm-1；全反射液芯波导涂覆层采用折射率1.29的特氟龙AF2400，厚度大于5μm时，满足全反射条件，波导直径大于400μm损耗系数为1.457×10-3 cm-1；波导内壁和液芯核同时分布银颗粒的双SERS基底能获得最大局域增强系数86.3。
　　③研究了液芯波导SERS芯片加工工艺，对两种芯片的工艺流程、工艺参数进行了优化。非全反射液芯波导SERS芯片采用单晶硅进行制作，设计了基于湿法腐蚀的沟道制作工艺，采用磁控溅射进行了100 nm反射金膜的制备，利用粘合工艺完成了沟道基底和盖片的封装，并将银溶胶与检测溶液混合加入到沟道中形成波导核。全反射液芯波导SERS芯片采用微丝塑模法在柔性聚合物PDMS上制作出圆形微通道，然后在微通道内镀AF2400薄膜，最后将银溶胶沉积到波导内壁并注入到液芯核中形成波导核。成功研制了两种液芯波导SERS芯片样品，经表征非全反射液芯波导SERS芯片的损耗系数为3.1 cm-1，全反射液芯波导SERS芯片的损耗系数为1.1 cm-1。
　　④液芯波导SERS芯片的性能测试和分析。搭建了透射式表面增强拉曼光谱测试系统，对液芯波导SERS芯片的最优长度、检出限、增强系数和重复性等关键性能指标进行了测试和分析。测试结果表明：非全反射液芯波导芯片和全反射液芯波导芯片最优长度分别为2 mm和7 mm，与理论分析符合较好；非全反射液芯波导SERS芯片在激发光功率密度为132 W/cm2条件下，实现对10 nM罗丹明6G溶液检测，全反射液芯波导SERS芯片在激发光功率密度为3.63 W/cm2条件下，检测10 nM罗丹明6G溶液拉曼信号强度是非全反射液芯波导SERS芯片检测强度的3倍；全反射液芯波导SERS芯片增强系数为2.5×105，信号重复性RSD为14.74％。
　　⑤基于全反射液芯波导SERS芯片，开展了生物样本测试实验研究，实现了对5×10-7 M腺嘌呤溶液和3μL浓度为25μg/mL家蚕DNA溶液的检测，获得了清晰尖锐的拉曼谱峰。
　　论文研制的非全反射和全反射液芯波导SERS芯片具有低损耗、低激发光功率密度、高增强的特点。特别是全反射液芯波导SERS芯片，与同类型的SERS芯片相比，检测极限量级相当，激发光功率密度降低了4个数量级，适合用于微量、低浓度生物样品溶液尤其是活性样本的测试分析。

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1 绪论

1.1 课题背景

1.2 表面增强拉曼光谱

1.3 表面增强拉曼光谱研究现状

1.4 本文研究目标及主要内容

2 液芯波导SERS芯片相关理论

2.1 引言

2.2 芯片结构及工作原理

2.3 液芯波导SERS芯片增强系数

2.4 液芯波导损耗特性研究

2.5 液芯波导传输SERS信号理论模型

2.6 小结

3 液芯光波导SERS芯片优化设计

3.1 引言

3.2 非全反射液芯波导SERS芯片

3.3 全反射液芯波导SERS芯片

3.4 小结

4 液芯波导SERS芯片加工

4.1 引言

4.2 液芯波导SERS芯片制备

4.3 全反射液芯波导SERS芯片加工

4.4 小结

5 液芯波导SERS芯片测试及应用实验

5.1 引言

5.2 液芯波导SERS芯片测试系统

5.3 液芯波导SERS芯片性能测试

5.4 液芯波导SERS芯片性能对比及应用实验

5.5 小结

6 总结与展望

① 论文工作总结

② 主要创新点：

③ 后续工作展望

致谢

参考文献

附录