CN103149193A - 基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于分子检测的基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列的表面增强拉曼散射光流控系统，该系统是采用碳纳米管阵列作为纳米金属结构载体，并在此碳纳米管阵列载体上沉积金纳米粒子，形成三维表面增强拉曼散射活性基底，作为该系统中微通道的探测区；激光光源通过光纤导入，入射到三维表面增强拉曼散射活性基底；散射光通过光纤导出到光谱仪进行光谱测试；调压装置保证微通道内待测分子顺利流动。本发明的三维表面增强拉曼散射活性基底制作工艺简单，成本低，无毒无污染；碳纳米管阵列表面积大，有效增加了金纳米粒子的填充效果，从而增加了拉曼散射截面积，拉曼散射信号强度增大；利用光纤导入激光和收集拉曼散射光，无需传统的显微聚焦和对准；系统体积小，成本低，便于实现分子的便携式、在线检测。
Description
技术领域
本发明属于纳米光子学和光流控领域，具体涉及表面增强拉曼散射光谱技术。
背景技术
随着人类社会发展，对于各种各样痕量化学生物分子的检测需求日益增长，包括对人类健康的疾病、食品污染、环境毒素、毒品，以及面向军事国防等国家安全的爆炸物分子检测。
在这些检测领域，拉曼散射光谱反映分子的振动、转动或电子态能量的变化，根据光子频率变化可以判断出分子中所含有的化学键或基团，从而鉴别物质，分析物质的性质，得到广泛关注和应用。但是，拉曼散射的散射面积小，信号微弱，难用于痕量分子检测。表面增强拉曼散射光谱（surface enhanced Raman scattering，简称SERS）克服了传统拉曼光谱存在的拉曼信号微弱、检测灵敏度低、易受荧光干扰的缺点；具有不需要预处理、非侵入非破坏性等优点。表面增强拉曼散射光谱是指粗糙贵金属表面在外界电磁场激发下会放大增强吸附在其表面的分子拉曼散射光谱信号的一种现象。与普通拉曼散射信号相比，表面增强拉曼散射信号的强度最高可以到放大1014-1015，灵敏度高，足以满足痕量分子拉曼散射信号的探测。
传统的基于SERS的检测系统主要由拉曼散射基底吸附待测分子，由大型拉曼光谱仪进行光谱数据测试分析。其中拉曼散射基底是主要利用纯金属纳米结构，如金银铜等纳米颗粒，纳米线，纳米棒，纳米薄膜，纳米管，纳米球等。随着近年来材料科学和纳米加工技术的发展，基于各种过度金属、聚合物、半导体等材料壳核结构、纳米棒、纳米阵列等纳米结构构成各种SERS基底。实验室内大型的拉曼光谱仪，体积庞大，价格昂贵；检测时需要光学对准和聚焦，不利于在线检测。
发明内容
本发明的目的正是为了解决SERS检测系统体积大、价格昂贵，不利于在线检测的缺点，提出一种基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射光流控系统。该系统由金纳米粒子修饰碳纳米管阵列作为三维表面增强拉曼散射基底，吸附待测分子。由于碳纳米管阵列垂直生长，具有极大比表面积，可吸附更多的金纳米粒子，从而有利于拉曼信号增强。该系统中由导入光纤接入激光，收集光纤导出散射光，免去了显微聚焦和对准，体积小，便于在线检测。
本发明采用以下技术方案实现：
本发明是一种基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，所述光流控系统包括硅基底上的微通道、金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底、激光源、入射光纤、收集光纤、光谱仪和调压装置；所述微通道，由相互连通的四个通道组成，第一通道一端封闭，在封闭端设有一个待测分子入射小孔，第二通道是一个放置入射光纤的通道，与第一通道垂直，两端不封闭，第三通道是一个放置收集光纤的通道，两端不封闭，第四通道一端封闭，封闭端设有一个待测分子出射小孔和连接调压装置的小孔，第四通道中设置有金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底，作为探测区；所述第二通道和第四通道直线相通，入射光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底；所述第一通通道与第二通道和第四通道之间的空间连通，所述第三通道与第四通道连通，收集光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底；所述入射光纤连接激光源，收集光纤连接光谱仪。分子检测时：待测分子通过微通道的入射小孔进入，流过微通道内的三维表面增强拉曼散射基底，待测分子吸附到拉曼散射基底，调压装置保证待测分子在微通道顺利流动。采用一个激光器作为激励光源，利用入射光纤将光传输到光流控通道中，照射到探测区，在激励光源的照射下，在所述三维表面增强拉曼散射活性基底表面产生的局域电磁场将被增强，使表面吸附分子的拉曼散射信号显著增强，待测分子的散射信号由收集光纤导出到光谱仪，完成待测分子拉曼检测。
微通道内可以注入液体分子，也可以注入气体分子，进行液体、气体分子检测。
金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维表面增强拉曼散射基底包括基底、基底之上的催化层、生长在催化层上的碳纳米管阵列和附着在碳纳米管阵列表面的金纳米粒子。
本发明的金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维表面增强拉曼散射活性基底具有比表面积大，有利于拉曼信号增强，制作简单，成本低，无毒无污染等优点；激光由入射光纤导入，散射光由收集光纤导出，避免使用实验室昂贵的传统大型设备，无需显微对准聚焦，有利于便携式在线检测。这样本发明从理论上、实现可行性上都将对表面拉曼散射光谱的应用提供一种便携式在线检测方法。
附图说明
图1是基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统示意图；
图2是本发明的微通道结构示意图；
图3是本发明的金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维表面增强拉曼散射基底示意图；
图4是本发明在表面增强拉曼散射光谱分子检测应用中的原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步阐述：
参见图1，本发明涉及的基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，包括：微通道1，金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射基底2，激光光源3，导入光纤4，收集光纤5，光谱仪6，调压装置7。导入光纤4和收集光纤5固定在微通道中；拉曼散射基底2先制备好，再和微通道粘接形成一体。
参见图2，本发明的微通道1由相互连通的四个通道组成，包括设有待测分子入射小孔1-1-1的第一通道1-1，放置入射光纤4的两端不封闭的第二通道1-2，放置收集光纤5的两端不封闭第三通道1-3，设有待测分子出射小孔1-4-1的第四通道1-4，此通道上还设有调压装置7的接入小孔1-4-2。第四通道1-4中设置有金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底2，作为探测区。第二通道1-2和第四通道1-4直线相通，入射光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底2，第一通道1-1与第二通道1-2和第四通道1-4之间的空间连通，第三通道1-3与第四通道1-4连通，收集光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底2。本系统中，第四通道1-4的后段有一截收缩颈部，可使待测分子在探测区域充分吸附在三维表面增强拉曼散射基底2上，增强拉曼散射信号。
参见图3，本发明使用的金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射基底2包括基底2-1，生长碳纳米管阵列的催化层2-2，碳纳米管阵列2-3，附着在碳纳米管阵列表面的金纳米粒子2-4。其制备是：首先在硅基底上沉积一层金属作为催化剂；然后采用化学气相沉积方法，通入碳源气反应，在催化层上长出碳纳米管阵列；再通过溅射/旋涂方法将金纳米颗粒沉积在碳纳米管阵列表面，形成三维表面增强拉曼散射活性基底。
微通道是采用软光刻的方法，利用PDMA材料制备获得。拉曼活性基底和制备的微通道是通过粘接为一体，形成光流控系统。
参见图4，待测分子8吸附在金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维拉曼散射基底2上，入射光9照射到有待测分子的基底上，由于金纳米粒子2-4的表面等离子共振特性，待测分子8的拉曼散射光10被后续光学系统收集。
分子检测时，通过调整调压装置7，使微通道中压力可调，利于待测分子流动；待测分子8由待测分子入射小孔1-1-1进入微流通通道1，流过探测区域的金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维拉曼散射基底2，待测分子8吸附在三维拉曼散射基底2上，激励光源3通过导入光纤4入射到探测区域，由于金纳米粒子2-4的表面等离子共振特性，待测分子8的拉曼散射信号由导出光纤5收集，导出到光谱仪6，通道内的待测分子8经过三维表面增强拉曼散射基底2后，由待测分子出射小孔1-4-1流出，完成分子检测。
本发明充分利用金纳米粒子修饰碳纳米管阵列三维SERS基底极大的比表面积，可吸附更多的金纳米粒子，从而吸附更多的待测分子，增强拉曼散射信号；同时利用微通道保证导入光纤和收集光纤的对准，无需测试时的显微聚焦对准；体积小，价格便宜，便携式等优点，达到对待测分子的在线检测。该发明可以测试液体分子，也可以测试气体分子。
Claims (4)
1.基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，其特征在于：所述光流控系统包括硅基底上的微通道、金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底、激光源、入射光纤、收集光纤、光谱仪和调压装置；所述微通道，由相互连通的四个通道组成，第一通道一端封闭，并在封闭端设有一个待测分子入射小孔，第二通道是一个放置入射光纤的通道，与第一通道垂直，两端不封闭，第三通道是一个放置收集光纤的通道，两端不封闭，第四通道一端封闭，封闭端设有一个待测分子出射小孔和连接调压装置的小孔，第四通道中设置有金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底，作为探测区；所述第二通道和第四通道直线相通，入射光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底；所述第一通通道与第二通道和第四通道之间的空间连通，所述第三通道与第四通道连通，收集光纤正对金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底；所述入射光纤连接激光源，收集光纤连接光谱仪；
待测分子由入射小孔进入，流过三维拉曼散射基底，待测分子吸附到拉曼散射基底，调压装置保证待测分子在微通道顺利流动；激励光源利用入射光纤将光传输到光流控通道中，照射吸附有待测分子的三维表面增强拉曼散射基底，待测分子的散射信号由收集光纤导出到光谱仪，完成待测分子拉曼信号检测。
2.根据权利要求1所述的基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，其特征在于：所述金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底（2）包括基底（2-1）、基底之上的催化层（2-2）、生长在催化层上的碳纳米管阵列（2-3）和附着在碳纳米管阵列表面的金纳米粒子（2-4）；所述三维拉曼散射基底和微通道粘接为一体。
3.根据权利要求2所述的基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，其特征在于：金纳米粒子修饰碳纳米管三维拉曼散射基底的制作方法是：首先在硅基底上沉积一层金属作为催化剂；然后采用化学气相沉积方法，在催化层上长出碳纳米管阵列；再通过溅射或旋涂方法将金纳米颗粒沉积在碳纳米管阵列表面，形成表面增强拉曼散射活性基底。
4.根据权利要求1、2或3所述的基于金纳米粒子修饰碳纳米管阵列表面增强拉曼散射的光流控系统，其特征在于：所述微通道是采用软光刻方法在PDMA材料上制作而得。
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