CN104549586A - 一种基于磁性石墨烯的sers自参考微流控芯片、其制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，包括基片，基片上开设有相对于基片中轴线对称的反应通道和参考通道，反应通道和参考通道的进料端连通后再与进料管连通，第一反应物上样管和第二反应物上样管分别与进料管连通，SERS基底材料注入通道通过微阀门与反应微流通道连通；盖片与基片相配合，磁力装置放置于盖片上，通过磁力装置产生的磁力牵引注入反应通道的磁性石墨烯溶液流动。本发明提供的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片、其制备方法及应用，可实现对生化反应不同阶段的实时SERS监控，进而可实现SERS“自参考”功能。

Description

一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片、其制备方法及应用

技术领域

本发明涉及一种微流控芯片与纳米材料制备领域，尤其是一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片、其制备方法及应用。

背景技术

在微米量级的沟道中对流体进行操控的技术被称为微流控技术。通过精细加工技术将微沟道、微泵、微阀门、微电极等功能元件集成在芯片板材上，进而构造出类似于集成电路芯片的微型全分析系统被称为微流控芯片。利用微流控技术与微流控芯片开展分析检测，相比于传统检测方法，具有快速高效、高密度、高通量、低消耗、集成化等诸多优点。这也使得微流控芯片分析技术称为一项极为重要的分析检测技术。目前，微流控芯片分析技术已经在生命科学、环境监测、食品分析、医药工程、基因工程等领域获得了广泛的应用。通常，在利用微流控分析系统开展分析检测过程中，会将其与其它技术手段联用，以获取样品更加丰富生化信息。例如，利用微流控芯片开展的电泳分析、荧光光谱、质谱、原子光谱、光声光谱、电化学测量等已经在生化分析领域显示出了强大的技术优势。

拉曼散射光谱包含着分子本征振转能级结构的信息，是分子的“指纹光谱”。通常情况下，分子的拉曼散射信号十分微弱，欲获取有价值的拉曼信号，往往需要对其进行增强。有研究表明，当拉曼分子吸附在贵金属，如金、银、铂等纳米结构表面时，其拉曼信号可被显著增强，这种现象被称为表面增强拉曼散射(SERS)。SERS技术作为一种重要的分析检测手段，具有许多传统检测技术无法比拟的优点，例如，其光谱不易光漂白、对样品无损、操作简便、光谱特异性高等，这使其在分析检测中具有十分重要的应用价值。石墨烯是由碳原子构成的单层纳米材料，具有理想的蜂窝状二维结构。研究表明，石墨烯与贵金属纳米颗粒类似，对吸附在其附近的拉曼分子也具有显著的SERS增强作用。此外，石墨烯还具有良好的稳定性、良好的生物兼容性、易于功能化修饰等优点，因而常被用于制作生化材料的SERS检测基底。

综上所述，设计一种可用于SERS检测的微流控芯片具有潜在的应用价值。特别是，若SERS基底在微流通道中的位置可根据需要精确位，将会使芯片具有更为重要的实用价值。目前尚未发现类似技术。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片、其制备方法及应用，可实现对生化反应不同阶段的实时SERS监控；便于评估SERS基底材料的SERS增强能力及其对反应通道中反应的影响，进而可实现SERS“自参考”功能。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，包括基片，

基片上开设有相对于基片中轴线对称的反应通道和参考通道，反应通道和参考通道的进料端连通后再与进料管连通，第一反应物上样管和第二反应物上样管分别与进料管连通，SERS基底材料注入通道通过微阀门与反应微流通道连通；

盖片与基片相配合，磁力装置放置于盖片上，通过磁力装置产生的磁力牵引注入反应通道的磁性石墨烯溶液流动。

反应通道由反应微流通道、反应管道以及反应待测区域组成，反应微流通道通过反应管道与反应待测区域连通，参考通道由参考微流通道、参考管道以及参考待测区域组成，参考微流通道通过参考管道与参考待测区域连通。

反应微流通道和参考微流通道为弯曲状通道。

磁力装置为永磁铁或电磁线圈。

盖片采用可与基片贴合的板材制备而成。

一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)制备基片阳模：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与基片大小一致的微腔，在定模座板上，对应反应通道和参考通道处，固定条状型芯，从而构成基片阳模；

2)制备基片：向步骤1)制得的基片阳模中灌注有机溶胶，当有机溶胶固化后，去掉模具，获得基片；

3)制备盖片：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与盖片尺寸一致的微腔，灌注有机溶胶，冷却成型后，脱模，获得盖片；

4)制备磁性石墨烯备用，

即制得基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片。

步骤2)和步骤3)所用有机溶胶为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。

步骤4)磁性石墨烯的制备方法为：

4-1)制备石墨烯；

4-2)制备磁性纳米颗粒：将FeCl₃·6H₂O溶于乙二醇，配制成质量浓度为20毫克/毫升的FeCl₃·6H₂O溶液，取100毫升的该溶液，加入820毫克的醋酸钠，0.2克壳聚糖，剧烈搅拌30分钟后，转移至反应釜中，再加热至200℃，17小时后停止加热，将产物用乙醇清洗3遍，去离子水清洗2遍后，存储于50毫升水溶液中，即制得磁性纳米颗粒；

4-3)将步骤4-1)制得的石墨烯与步骤4-2)制得的磁性纳米颗粒以摩尔比为1:10的比例混合，无磁搅拌12小时，离心分离，将分离物用乙醇清洗2遍，去离子水清洗2遍后的产物真空干燥，即制得磁性石墨烯。

一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的应用，将反应溶液注入进料管，经混合后，反应溶液分成两股，分别进入反应通道和参考通道，将磁性石墨烯配制成质量浓度为10微克/毫升-100毫克/毫升的溶液，注入反应通道，利用盖片上磁力装置产生的外磁场将磁性石墨烯溶液引导至检测位置，将SERS自参考微流控芯片置于SERS光谱仪下，检测其SERS光谱，实现对生化反应不同阶段的实时SERS监控；利用参考通道作为对照，以评估SERS基底材料的SERS增强能力及其对反应通道中反应的影响，实现SERS自参考功能。

将磁性石墨烯与去离子水配制成质量浓度为10微克/毫升-100毫克/毫升的水溶液。

本发明提供的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片、其制备方法及应用，有益效果如下：

1、可在微流控芯片中实现SERS检测。

2、作为SERS基底材料的磁性石墨烯用量较少，相比于将SERS基底材料铺满整个通道来实现SERS监控而言，既节约了耗材，也显著地降低了对原反应的干扰。

3、磁性石墨烯在反应通道中的位置可由外磁场引导与精确调控，因此可对反应过程中任何阶段实现SERS监控。

4、基片中同时设计有参考通道，极大地简化了实际操作中对SERS增强因子的计算，同时也为评价SERS基底材料对反应产生何种影响提供了极大的便利；即借助参考通道，可以实现所谓的SERS“自参考”功能。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明：

图1为本发明SERS自参考微流控芯片的结构示意图；

图2为本发明图1A处的放大图；

图3为本发明方法所制备的磁性石墨烯的结构示意图；

图4为本发明实施例三检测DNA分子杂交过程获得的SERS光谱图。

具体实施方式

实施例一

如图1和图2所示，一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，包括基片1，

基片1上开设有相对于基片中轴线对称的反应通道和参考通道，反应通道和参考通道的进料端连通后再与进料管101连通，第一反应物上样管111和第二反应物上样管102分别与进料管101连通，SERS基底材料注入通道110通过微阀门109与反应微流通道108连通；

盖片2与基片1相配合，磁力装置放置于盖片2上，通过磁力装置产生的磁力牵引注入反应通道的磁性石墨烯溶液106流动。

第三步进电机驱动注射器104通过第三毛细管105与SERS基底材料注入通道110连通。

第一步进电机驱动注射器通过第一毛细管与第一反应物上样管111连通；

第二步进电机驱动注射器通过第二毛细管与第二反应物上样管102连通。

反应通道由反应微流通道108、反应管道114以及反应待测区域112组成，反应微流通道108通过反应管道114与反应待测区域112连通，参考通道由参考微流通道103、参考管道107以及参考待测区域113组成，参考微流通道103通过参考管道107与参考待测区域113连通。

反应微流通道108和参考微流通道103为弯曲状通道，也可设计成其他所需形状。

磁力装置为永磁铁4或电磁线圈3。

永磁铁4至少有一端是尖锐结构，尖端直径小于100μm。

电磁线圈3由微型线圈缠绕软磁棒组成，软磁棒至少有一端是尖锐结构，尖端直径小于100μm。

盖片2采用可与基片1贴合的板材制备而成。

实施例二

一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：

1)制备基片阳模：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与基片大小一致的微腔，在定模座板上，对应反应通道和参考通道处，固定条状型芯，从而构成基片阳模；

2)制备基片1：向步骤1制得的基片阳模中灌注有机溶胶，当有机溶胶固化后，去掉模具，获得基片1；

3)制备盖片2：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与盖片尺寸一致的微腔，灌注有机溶胶，冷却成型后，脱模，获得盖片2；

4)制备磁性石墨烯备用，

即制得基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片。

步骤2)和步骤3)所用有机溶胶为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。

步骤4)磁性石墨烯的制备方法为：

4-1)制备石墨烯：

4-1-1)制备氧化石墨烯：称取2g石墨粉与1g硝酸钠固态混合，加入容积为250mL反应瓶中，加入20毫升质量百分比为98％的浓硫酸，搅拌20分钟；加入6g高锰酸钾，持续搅拌，期间升温至35℃，加入去离子水，直至溶液变为亮黄色，用质量百分比为5％的HCl与去离子水清洗产物，即得氧化石墨烯，真空干燥备用。

4-2-2)制备石墨烯：称取上述100mg氧化石墨烯分散于100g去离子水中，混匀，超声溶解1小时，再转移至烧瓶内，加入2g水合肼，填充氮气保护，反应24小时，将得到的产物用甲醇清洗3次，去离子水清洗3次，真空干燥，制得石墨烯保存备用；

4-2)制备磁性纳米颗粒：将FeCl₃·6H₂O溶于乙二醇，配制成20毫克/毫升的FeCl₃·6H₂O溶液。取100毫升的该溶液，加入820毫克的醋酸钠，0.2克壳聚糖，剧烈搅拌30分钟后，转移至反应釜中，再加热至200℃，17小时后停止加热，将产物用乙醇清洗3遍，去离子水清洗2遍后，存储于50毫升水溶液中，即制得磁性纳米颗粒；

4-3)将步骤4-1)制得的石墨烯与步骤4-2制得的磁性纳米颗粒以摩尔比为1:10的比例混合，无磁搅拌12小时，离心分离，将分离物用乙醇清洗2遍，去离子水清洗2遍后的产物真空干燥，即制得磁性石墨烯。

制得的磁性石墨烯的结构示意图如图3所示，1061为磁性纳米颗粒，1062为石墨烯，磁性纳米颗粒1061与石墨烯1062通过静电力相互作用结合。

实施例三

利用本基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片监控DNA分子杂交过程的步骤如下：

1)将羧基修饰的单链DNAa(序列为ATT GGC CTA CCG-COOH)修饰到反应通道与参考通道中，方法如下：

1-1)将DNAa链溶于pH＝7.4的磷酸缓冲液中(PBS)，配制成摩尔浓度为20Nm/L的DNAa溶液；

1-2)将富含氨基的聚丙烯胺盐酸盐(PAH，MW＝15000)沉积于反应通道中，方法为：将富含氨基的聚丙烯酰胺盐酸盐溶于去离子水，配制成100毫克/毫升的溶液，滴加于反应通道内，待水分自然蒸发后，聚丙烯胺盐酸盐即沉积于反应通道中；

1-3)从第一反应物上样管111注入DNAa溶液200μL；

1-4)从第二反应物上样管102先后注入EDC和NHS(EDC为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺，NHS为N-羟基琥珀酰亚胺)各20μL，反应；反应10分钟后，DNAa将会被沉积的反应通道中的PAH所捕获。

2)从第一反应物上样管111注入与步骤3)注入的DNAa等量的，Cy3分子标记的DNAa互补链DNAa’(序列为Cy3-TAA CCG GAT GGC)；

3)从SERS基底材料注入通道110注入50μL磁性石墨烯溶液(质量浓度为10微克/毫升-100毫克/毫升)；

4)利用盖片2上磁力装置产生的外磁场将磁性石墨烯溶液引导其至反应待测区域112内；

5)将微流控芯片置于SERS光谱仪操作平台，检测SERS信号，为估算SERS增强因子，可在参考通道的对应位置检测SERS信号。DNA分子杂交过程由反应通道中所获取的SERS光谱进行监控。在反应通道中，SERS光谱越强，说明DNA杂交程度越高，SERS光谱越弱，则说明DNA杂交程度越低。

获取的结果如图4所示，图中401为反应通道中监测到的SERS光谱；402为参考通道中监测到的SERS光谱(当然，SERS检测位点也可溢出检测区域112和113，延伸至微流管道弯曲端，以实现对生化反应不同阶段的实时SERS监控)。利用参考通道中监测到的SERS光谱402参比于反应通道中检测的SERS光谱401，研究其发生的变化，可评估SERS基底材料的SERS增强能力及其对反应通道中反应的影响，从而实现自参考功能。根据获取光谱与参考光谱比对，可估算SERS增强因子约为10⁶。

Claims (9)

1.一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，包括基片(1)，其特征在于：

基片(1)上开设有相对于基片中轴线对称的反应通道和参考通道，反应通道和参考通道的进料端连通后再与进料管(101)连通，第一反应物上样管(111)和第二反应物上样管(102)分别与进料管(101)连通，SERS基底材料注入通道(110)通过微阀门(109)与反应微流通道(108)连通；

盖片(2)与基片(1)相配合，磁力装置放置于盖片(2)上，通过磁力装置产生的磁力牵引注入反应通道的磁性石墨烯溶液(106)流动。

2.根据权利要求1所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，其特征在于：反应通道由反应微流通道(108)、反应管道(114)以及反应待测区域(112)组成，反应微流通道(108)通过反应管道(114)与反应待测区域(112)连通，参考通道由参考微流通道(103)、参考管道(107)以及参考待测区域(113)组成，参考微流通道(103)通过参考管道(107)与参考待测区域(113)连通。

3.根据权利要求2所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，其特征在于：反应微流通道(108)和参考微流通道(103)为弯曲状通道。

4.根据权利要求1所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片，其特征在于：磁力装置为永磁铁(4)或电磁线圈(3)。

5.一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

1)制备基片阳模：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与基片大小一致的微腔，在定模座板上，对应反应通道和参考通道处，固定条状型芯，从而构成基片阳模；

2)制备基片(1)：向步骤1)制得的基片阳模中灌注有机溶胶，当有机溶胶固化后，去掉模具，获得基片(1)；

3)制备盖片(2)：在模架上按照设定尺寸移动模具镶块，留出与盖片尺寸一致的微腔，灌注有机溶胶，冷却成型后，脱模，获得盖片(2)；

4)制备磁性石墨烯备用，

即制得基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片。

6.根据权利要求5所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的制备方法，其特征在于：步骤2)和步骤3)所用有机溶胶为聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯。

7.根据权利要求5所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的制备方法，其特征在于步骤4)磁性石墨烯的制备方法为：

4-1)制备石墨烯；

4-2)制备磁性纳米颗粒：将FeCl₃·6H₂O溶于乙二醇，配制成质量浓度为20毫克/毫升的FeCl₃·6H₂O溶液，取100毫升该溶液，加入820毫克的醋酸钠，0.2克壳聚糖，剧烈搅拌30分钟后，转移至反应釜中，再加热至200℃，17小时后停止加热，将产物用乙醇清洗3遍，去离子水清洗2遍后，存储于50毫升水溶液中，即制得磁性纳米颗粒；

4-3)将步骤4-1)制得的石墨烯与步骤4-2)制得的磁性纳米颗粒以摩尔比为1:10的比例混合，无磁搅拌12小时，离心分离，将分离物用乙醇清洗2遍，去离子水清洗2遍后的产物真空干燥，即制得磁性石墨烯。

8.一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的应用，其特征在于：将反应溶液注入进料管(101)，经混合后，反应溶液分成两股，分别进入反应通道和参考通道，将磁性石墨烯配制成质量浓度为10微克/毫升-100毫克/毫升的溶液，注入反应通道，利用盖片(2)上磁力装置产生的外磁场将磁性石墨烯溶液引导至检测位置，将SERS自参考微流控芯片置于SERS光谱仪下，检测其SERS光谱，实现对生化反应不同阶段的实时SERS监控；利用参考通道作为对照，以评估SERS基底材料的SERS增强能力及其对反应通道中反应的影响，实现SERS自参考功能。

9.根据权利要求8所述的一种基于磁性石墨烯的SERS自参考微流控芯片的应用，其特征在于：将磁性石墨烯用去离子水配制成质量浓度为10微克/毫升-100毫克/毫升的溶液。