一种表面增强拉曼微流控芯片及包含该芯片的检测系统

摘要

本发明公开了一种表面增强拉曼微流控芯片，包括芯片基底，以及盖合在芯片基底正上方的芯片盖片，所述芯片盖片上设置有第一微通道、第二微通道、第三微通道、进液通道和出液通道；其次，本发明还公开了一种包含上述芯片的检测系统，所述检测系统还包括布置于表面增强拉曼微流控芯片端头处的导入光纤和光纤布拉格光栅，且表面增强拉曼微流控芯片、导入光纤及光纤布拉格光栅可拆卸的安装在同一底座上。本发明的表面增强拉曼微流控芯片利用全反射液芯波导减小信号的传输损耗，增加传输距离；应用于检测系统上能提高拉曼信号的检测灵敏度，且利用液芯波导长程传输的平均作用改善拉曼信号重复性。此外，本发明还提供了上述芯片的制备方法。

说明书

技术领域

本发明属于光学和微流控领域，具体涉及一种表面增强拉曼微流控芯片及包含该芯片的检测系统。

背景技术

随着经济和社会的发展，无损检测技术被广泛的应用到各个技术领域，如地质考古、宝石鉴定、生化分析、生物医学、食品安全、环境检测等。

其中，表面增强拉曼光谱技术作为无损检测的一种，其具有测试样品非接触性、非破坏性、检测时间短、无需样品预处理、样品所需量小、适用于水样溶剂检测等特点，能从分子水平更直观反映样本的内部结构信息，可鉴别分子的界面取向和构象构型，广泛应用于表面研究、吸附物界面状态研究、生化大分子研究、分子结构分析等方面；且探测灵敏度高、分辨率高、干扰小、稳定性好，可有效降低样品分子的荧光背景，检出限可低达nM或pM级别，可实现对单分子的探测、对细菌细胞的检测、DNA和血液的检测、微量残留农药的检测等，是生化分析、生物医学、食品安全、防恐防暴等领域的重要检测工具。

目前，基于表面增强拉曼光谱技术的芯片研究主要集中于以下三个方面：一是基于微通道的表面增强拉曼芯片研究，多采用浓缩样品的方式提高灵敏度且采用单点探测的方式收集信号，信号重复性较差；二是基于光子晶体光纤的表面增强拉曼芯片，采用长程探测方式提高灵敏度，但集成困难；三是基于固体波导的表面增强拉曼芯片，多采用棱镜耦合的方式，系统庞大。

发明内容

本发明旨在提供一种利用长距离传输增强拉曼信号、利用液体流动的平均效应改善信号重复性，并且方便与微流控集成的表面增强拉曼微流控芯片，以及包含该芯片的检测系统，此外，本发明还提供了该芯片的制备方法。

为此，本发明所采用的技术方案为：一种表面增强拉曼微流控芯片，包括芯片基底，以及盖合在芯片基底正上方的芯片盖片；所述芯片盖片的底部设置有第一微通道、第二微通道和第三微通道，所述第一微通道在芯片盖片上左右贯通布置；所述第二微通道一端与第一微通道连通，另一端连接有进液通道；所述第三微通道一端与第一微通道连通，另一端连接有出液通道；所述进液通道与出液通道均延伸出芯片盖片外；所述第一、第二、第三微通道的材质为柔性聚合物，宽度大于100μm；在第一、第二、第三微通道的内壁上还设置有涂覆层，所述涂覆层折射率小于1.33，厚度大于5μm；在涂覆层内壁铺设有金属纳米颗粒阵列结构；待测溶液从进液通道流入，流经第二微通道、第一微通道和第三微通道形成液芯波导。

进一步地，所述第二、第三微通道左右错开布置，且均垂直于第一微通道；所述进液通道垂直于第二微通道，所述出液通道垂直于第三微通道，且进液通道和出液通道在芯片盖片上成对角线布置，并相互平行。

进一步地，所述涂覆层的材质为特氟龙AF2400或特氟龙AF1600。

更进一步地，所述金属纳米颗粒阵列结构的材质为Au、Ag、Cu或Pt，单颗金属纳米颗粒形状为球形、三角形或方形。金属纳米颗粒可以放大局域场，增强拉曼信号。

在上述方案的基础上，所述第一、第二、第三微通道的材质为PDMS、PDMA、PMMA、PVC软玻璃或Zeonor。

其次，本发明还涉及一种包含上述方案中的表面增强拉曼微流控芯片的检测系统，所述检测系统还包括布置于表面增强拉曼微流控芯片外侧的导入光纤和光纤布拉格光栅，并且所述表面增强拉曼微流控芯片、导入光纤及光纤布拉格光栅可拆卸的安装在同一底座上；所述导入光纤从第一微通道的一端伸入到第一微通道内，用于将激发光导入液芯波导中，并利用长距离传输增强拉曼信号；所述光纤布拉格光栅从第一微通道的另一端延伸到第一微通道内，能将通过液芯波导传输的激发光进行反射，透射拉曼光，实现对拉曼光的输出。

此外，本发明还提供一种表面增强拉曼微流控芯片的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、加工阳模：光刻SU8制作出第一、第二、第三位通道的阳模；

步骤二、制备微通道：取适量PDMS和固化剂，充分搅拌混合均匀，静置至无气泡状态，浇注在步骤一中制成的阳模上，烘干；然后取少量PDMS粘合进、出液通道，烘干；脱膜，将进液通道与第二微通道、出液通道与第三微通道之间导通；

步骤三、粘合芯片：将芯片盖片与芯片基底清洗干净后粘合，烘干后自然冷却；

步骤四、制作涂覆层：将特氟龙AF2400溶液加入第一、第二、第三微通道中烘干，使其在所有微通道内壁形成膜，制成涂覆层；

步骤五、制作金属纳米颗粒阵列结构：用柠檬酸钠还原硝酸银，配置银溶胶溶液，然后将银溶胶溶液加入第一、第二、第三微通道中烘干，使金属纳米颗粒沉积在步骤四所制成的涂覆层内壁制成金属纳米颗粒阵列结构。

在上述方案的基础上，步骤五中制作金属纳米颗粒阵列结构的方法为溅射、蒸发或自组装。

本发明的有益效果是：

(1)、本发明的表面增强拉曼微流控芯片，利用全反射液芯波导减小信号传输的损耗，增加传输距离，长距离传输的累积作用能提高拉曼信号的检测灵敏度，且利用液芯波导长程传输的平均作用能较好的改善拉曼信号重复性。

(2)、本发明中包含表面增强拉曼微流控芯片的检测系统将芯片、导入光纤和光纤布拉格光栅集成在同一个底座上，且采用光纤布拉格光栅输出拉曼信号，实现增强拉曼芯片的微型化、集成化，整个检测系统具有较高的检测灵敏度和良好的重复性，制作简单，便于实时在线检测，且便携性较好。

(3)、本发明中表面增强拉曼微流控芯片的制备方法，步骤工艺简单，操作方便，对制备环境和设备要求不高，成本低廉。

附图说明

图1是本发明含有表面增强拉曼微流控芯片的检测系统的主视图。

图2是本发明含有表面增强拉曼微流控芯片的检测系统的俯视图。

图3是图2的剖视图。

图4是本发明表面增强拉曼微流控芯片内部第一微通道结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图，对本发明作进一步说明：

如图1～4所示，一种表面增强拉曼微流控芯片，主要由芯片基底1，以及盖合在芯片基底1正上方的芯片盖片2组成。

在芯片盖片2的底部设置有第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5，第一微通道3在芯片盖片上左右贯通布置；第二微通道4一端与第一微通道3连通，另一端连接有进液通道6；第三微通道5一端与第一微通道3连通，另一端连接有出液通道7；进液通道6与出液通道7均延伸出芯片盖片2外；第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5的材质为柔性聚合物，宽度大于100μm。最好是，第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5的材质为PDMS、PDMA、PMMA、PVC软玻璃或Zeono；且第二微通道4和第三微通道5左右错开布置，且均垂直于第一微通道3；进液通道6垂直于第二微通道4，出液通道7垂直于第三微通道5，且进液通道6和出液通道7在芯片盖片2上成对角线布置，并相互平行。

在第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5的内壁上还设置有涂覆层8，涂覆层8折射率小于1.33，厚度大于5μm；最好是，涂覆层8的材质为特氟龙AF2400或特氟龙AF1600。

在涂覆层8内壁铺设有金属纳米颗粒阵列结构9；最好是，金属纳米颗粒阵列结构9的材质为Au、Ag、Cu或Pt，单颗金属纳米颗粒形状为球形、三角形或方形。

当待测溶液从进液通道6流入，流经第二微通道4、第一微通道3和第三微通道5形成液芯波导。

如图1～3所示，一种包含以上表面增强拉曼微流控芯片的检测系统，主要由布置于表面增强拉曼微流控芯片a，以及布置于表面增强拉曼微流控芯片a外侧的导入光纤b和光纤布拉格光栅c组成，并且表面增强拉曼微流控芯片a、导入光纤b及光纤布拉格光栅c可拆卸的安装在同一底座d上；导入光纤b从第一微通道3的一端伸入到第一微通道3内，用于将激发光导入液芯波导中，并利用长距离传输增强拉曼信号；光纤布拉格光栅c从第一微通道3的另一端延伸到第一微通道3内，能将通过液芯波导传输的激发光进行反射，透射拉曼光，实现对拉曼光的输出。

作为上述实施例的优选，所述第二微通道4和第三微通道5左右错开布置，且均垂直于第一微通道3；进液通道6垂直于第二微通道4，出液通道7垂直于第三微通道5，且进液通道6和出液通道7芯片盖片2上成对角线布置，并相互平行；导入光纤b设置于靠近第二微通道4的一侧，光纤布拉格光栅c位于靠近第三微通道5的一侧；这样布置使芯片更加平衡和稳定，增加检测的灵敏度和可靠性。

在本发明中，还提供了上述实施例中表面增强拉曼微流控芯片的制备方法，具体步骤如下：

步骤一、加工阳模：光刻SU8制作出第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5的阳模。

步骤二、制备微通道：取PDMS和固化剂，PDMS为柔性聚合物，其中PDMS和固化剂的质量比为10:1～5:1，将两种材料充分搅拌混合均匀，静置至无气泡状态，浇注在步骤一中制成的阳模上，烘干，最好是90℃烘10分钟；然后取少量PDMS粘合出进液通道6和出液通道7，烘干，最好是90℃烘20分钟；脱膜，将进液通道6与第二微通道4、出液通道7与第三微通道5之间导通。除上述的PDMS外，制备的材料还可以是PDMA、PMMA、PVC软玻璃或Zeonor，与固化剂混合进行制备。

较好的，在上述的步骤二中，PDMS和固化剂的最佳质量比为10:1，这时候的混合材料使用状态和性能最好。

步骤三、粘合芯片：芯片盖片2采用柔性材料，其本身具有粘性，将芯片盖片2与芯片基底1清洗干净后即可自然粘合，烘干，最好是120℃烘5分钟，然后自然冷却。

步骤四、制作涂覆层：将特氟龙AF2400溶液加入第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5中烘干，最好是120℃烘15分钟，使其在所有微通道内壁形成膜，制成涂覆层8。

较好的，在上述步骤四中特氟龙AF2400溶液重量浓度为1％～2％，最好是，使用1％浓度的特氟龙AF2400溶液效果最佳，当特氟龙AF2400溶液浓度超过2％时，涂覆效果较差，可能堵塞通道，造成不良。

步骤五、制作金属纳米颗粒阵列结构：用柠檬酸钠还原硝酸银，配置银溶胶溶液，然后将银溶胶溶液加入第一微通道3、第二微通道4和第三微通道5中烘干，最好是100℃烘5分钟，使金属纳米颗粒沉积在步骤四所制成的涂覆层8内壁制成金属纳米颗粒阵列结构9。最好是，采用溅射、蒸发或自组装等方法制作金属纳米颗粒阵列结构9。