CN104792767A - 一种用于溶胶法sers检测的微流控芯片及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片及其使用方法，该微流控芯片包括一溶液进口以及一溶液出口，所述的溶液进口和溶液出口之间设有一检测区，其特征在于：该检测区包括一三明治结构，上下层均为石英层，中间层为膜层，该膜层设有镂空通道作为检测区，该镂空通道和溶液进口以及溶液出口连通，镂空通道高度10-100μm，宽40-200μm，上层厚度为300-1000μm，下层厚度为100-500μm。将包覆度为40-70％的AuSiO₂纳米粒子和待测物混合，用等当量的硫酸和NaOH调节体系团聚粒度为100μm-300μm后，通入芯片内进行SERS检测。本发明可以提高SERS检测的重复性。

Description

一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片及其使用方法

技术领域

本发明涉及的领域为分析化学领域，尤其涉及一种高重现性的Raman检测微流控芯片及其使用方法。

背景技术

拉曼(Raman)散射是一种振动光谱，但是普通拉曼散射光谱的强度很弱，限制了其在实际检测中的应用。表面增强拉曼光谱(Surface-Enhanced Raman scattering，SERS)能提高拉曼信号4-7个数量级，拓展了拉曼光谱在科研领域的应用。SERS使用特殊的基底(通常是金、银、铜等币族金属)增强拉曼信号，常见的基底有粗糙块状基底和纳米粒子溶液两种形式。其中，纳米粒子溶液由于制备简单，使用方便等优点而广泛使用。但是，由于纳米粒子溶液属于胶体溶液，容易发生纳米粒子的团聚和沉降，特别是在加入待测物质(或溶液)改变胶体溶液组成后。纳米粒子的团聚状态会严重影响SERS信号的强度。因此，迄今为止，纳米粒子溶液的拉曼检测重复性极低，无法用于拉曼定量或半定量分析。

发明内容

本发明的目的是提供一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，并且通过使用该微流控芯片，达到高重现性的SERS检测。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，包括一溶液进口以及一溶液出口，所述的溶液进口和溶液出口之间设有一检测区，其特征在于：该检测区包括一三明治结构，上下层均为石英层，中间层为膜层，该膜层设有镂空通道作为检测区，该镂空通道和溶液进口以及溶液出口连通，镂空通道高度10-100μm，宽40-200μm，上层厚度为300-1000μm，下层厚度为100-500μm。

在本发明的较佳实施例中，所述镂空通道高度20-40μm，宽40-60μm。

在本发明的较佳实施例中，所述的溶液进口和溶液出口可以为同一孔，但较佳地，为不同的孔。

在本发明的较佳实施例中，所述的膜层优选为PDMS膜。也可以采用聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)或聚碳酸酯(PC)等，但是厚度不超过100μm，否则达不到微量检测的目的。

在本发明的较佳实施例中，该微流控芯片还包括一顶层，所述的顶层盖设于上层上方，在对应溶液进口处设有注射工具固定孔。

一种溶胶SERS检测方法，包括如下步骤：

1)制备前述的微流控芯片；

制备包覆度为40-70％的AuSiO₂纳米粒子在纳米粒子溶液中加入待测物溶液，调节体系团聚粒度为100μm-300μm，之后从微流控芯片的溶液进口中注入，液体流经检测区时，在检测区进行拉曼检测。

在本发明的较佳实施例中，步骤3)团聚度调节采用硫酸和NaOH。

在本发明的较佳实施例中，步骤3)调节体系团聚粒度的方法为加入硫酸后加入NaOH。

在本发明的较佳实施例中，NaOH的量为硫酸的等当量(等当量指1mol硫酸对应2molNaOH)。

在本发明的较佳实施例中，步骤3)调节体系团聚粒度为100μm-300μm，大于该范围会造成粒子沉降，在芯片中贴壁堵塞，小于该范围不能产生有效信号。

在本发明的较佳实施例中，步骤3)液体在检测区的流动速度为100-1000μl/h。大于该范围会耗费粒子及待测物，小于该范围局部产生的热量不能及时带走，造成光损伤。

本发明的有益效果如下：

1、本发明设计三明治型微流控SERS芯片，使用SERS纳米粒子，施以pH调控，进行流动SERS检测，可以获得高重复的SERS信号，进行定量或半定量分析；

2、制备的芯片所用成本低，耗时少，并且可以重复使用，在检测时所耗费的待测物少，可以实现微量检测。

3、先后使用硫酸和NaOH进行pH调节，可以控制纳米粒子的团聚度，解决了芯片内粒子黏附的问题，拓展了芯片在SERS方面的应用。

附图说明

图1三明治式拉曼检测微流控芯片结构图及实物照片。A实物和硬币的对比图；B检测流程示意图；C爆炸结构图。

图2不同初始硫酸浓度SiO2Au纳米粒子粒径分布曲线。

图3SiO2Au纳米粒子粒径峰值(团聚度)与初始硫酸浓度关系曲线。

图4三明治式拉曼检测微流控芯片检测4-巯基吡啶拉曼光谱。4-巯基吡啶浓度为0.25×10^-4M，激光激发波长638nm，功率28mw，采谱时间1s,测定50次，任取其中6次。

图54-巯基吡啶拉曼光谱1095cm^-1峰值测量曲线。4-巯基吡啶浓度0.25×10^-4M，激光激发波长638nm，功率27mw，采谱时间1s,测定50次，任取其中6次。实验组为使用三明治式微流控芯片，对照组为使用石英比色皿测量。

图6多次测量所得腺嘌呤拉曼光谱特征峰736.586cm^-1与4-巯基苯乙酸钠特征峰1076.26cm^-1峰强的比值曲线。腺嘌呤浓度2x10^-5M，4-巯基苯乙酸钠浓度6x10^-6M，激光激发波长638nm，功率27mw，采谱时间1s,测定50次，任取其中6次。实验组为使用三明治式微流控芯片，对照组为使用石英比色皿测量。

具体实施方式

本发明主要涉及以下几个方面:

1)微流控芯片：图1为芯片的实物图以及结构图。如图所示，分为四部分，1--底片，为300μm厚，1cm×1cm的石英片；2--薄膜层，为30μm厚的镂空聚二甲基硅氧烷(PDMS)。镂空部分为Y字形通道及三个圆孔(图1B)，通道宽度为50μm，圆孔孔径均为500μm；3--盖片，1cm×1cm×300μm的石英片，带有三个直径为500μm的圆孔；4--顶层，带有三个孔径为0.75mm圆孔的PDMS块,厚度为2mm。

2)纳米粒子及最适酸度确定：选用包覆率为60％的核壳型纳米粒子AuSiO₂为SERS基底，其中内核为直径60nm的金纳米粒子，壳层为10nm厚的SiO₂。最适酸度的确定：在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl的待测物溶液，加入50μl不同浓度硫酸溶液(10^-2M～10^-5M)，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀后进行激光动态光散射(DSL)测定，选择团聚粒径为100-300nm的初始硫酸浓度为最适酸度。

3)微流控芯片拉曼检测：在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl的待测物溶液，加入50μl前述步骤确定的最适酸度硫酸溶液，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀后，通入微流控芯片进行检测。

实施例1

制备用于拉曼检测的芯片，如附图1所示，由底片、薄膜层、盖片、顶层组成。

芯片的加工方法：(1)选用1cm×1cm×300μm的石英片作为底片和盖片，用激光雕刻机在盖片上加工出三个直径为0.5cm的圆孔；(2)用紫外曝光法制备SU-8光刻胶模具，模具为凸起的Y字通道，高度为30μm，宽度为50μm；(3)将PDMS前驱物滴加在SU-8模具上，盖上平整玻璃，加压，115℃下加热15min固化，用胶带取下固化好的PDMS膜；(3)将石英底片和PDMS(聚二甲基硅氧烷)膜在氧等离子体下活化，键合，去除胶带，得到键合的PDMS/石英片；(4)将盖片和PDMS/石英片等氧离子体活化后对准键合，作为芯片主体；(5)在2mm厚的PDMS块，打三个直径为0.75mm孔洞，对准键合在芯片主体上。

以0.25×10^-4M的4-巯基吡啶作为待测物，在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl的4-巯基吡啶溶液，加入50μl不同浓度硫酸溶液(1.0×10^-4M、2.0×10^-4M、2.5×10^-4M、2.75×10^-4M、3.0×10^-4M、3.25×10^-4M、3.5×10^-4M)。混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀后进行激光动态光散射(DSL)测定，结果如附图2和附图3所示，选择团聚粒径为100-300nm的初始硫酸浓度3.25×10^-4M为最适酸度。

在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl 4-巯基吡啶溶液，及50μl 3.25×10^-4M的硫酸溶液，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀后，从芯片的(见图一)孔③处以300μl/hr的速度流入芯片，进行检测。

作为对照，在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl 0.25×10^-4M的4-巯基吡啶溶液，加入50μl 3.25×10^-4M的硫酸溶液，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀，放在石英比色皿中进行拉曼检测。

图4为50次测定中6次获得的拉曼光谱。

图5为50次测定中6次拉曼光谱中4-巯基吡啶拉曼光谱1095cm^-1峰值测量曲线。实验组为使用三明治式微流控芯片，波动范围仅为±3.0％，对照组为使用石英比色皿测量，波动范围为±25.7％。

实施例2

以2x10^-5M腺嘌呤和6x10^-6M 4-巯基苯乙酸钠的混合溶液(体积比1:1)作为待测物。DSL测试，最适酸度为0.01M。在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl待测物溶液，及50μl 0.01M的硫酸溶液，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀后，从芯片的孔③处以300μl/hr的速度流入芯片，进行检测。

作为对照，在100μl AuSiO₂纳米粒子溶液中加入100μl 2x10^-5M腺嘌呤和6x10^-6M4-巯基苯乙酸钠的混合溶液(体积比1:1)，及50μl 0.01M的硫酸溶液，混合均匀，再加入50μl等当量的NaOH溶液，混合均匀，放在石英比色皿中进行拉曼检测。

图6为50次测量中6次腺嘌呤拉曼光谱特征峰736.586cm^-1与4-巯基苯乙酸钠特征峰1076.26cm^-1峰强的比值曲线。实验组波动范围仅为±5.9％，对照组波动范围为±27.3％。

说明：从芯片①入口通入不同浓度的硫酸溶液，②入口通入浓缩十倍的SHINERS粒子，③为溶液流出口。流体以300μl/min的流速流动，待流速稳定后，在显微镜下观测纳米粒子在芯片内的吸附情况。

实施例3

试剂一：浓度为1x10^-4M的4-Mpy溶液和浓缩10倍的SHINERS粒子混合溶液；

试剂二：浓度的硫酸溶液：1.0×10^-4M、2.0×10^-4M、2.5×10^-4M、2.75×10^-4M、3.0×10^-4M、3.25×10^-4M、3.5×10^-4M。

将试剂一和试剂二通过注射器以恒定流速分别从芯片的①入口和②入口流入，在显微镜下观测贴壁情况。结果表明，当酸度小于一定值时，可以产生一定强度的拉曼峰，并且不会发生团聚，不会在芯片壁上附着。

Claims (8)

1.一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，包括一溶液进口以及一溶液出口，所述的溶液进口和溶液出口之间设有一检测区，其特征在于：该检测区包括一三明治结构，上下层均为石英层，中间层为膜层，该膜层设有镂空通道作为检测区，该镂空通道和溶液进口以及溶液出口连通，镂空通道高度10-100μm，宽40-200μm，上层厚度为300-1000μm，下层厚度为100-500μm。

2.如权利要求1所述的一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，其特征在于：所述镂空通道高度20-40μm，宽40-60μm。

3.如权利要求1所述的一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，其特征在于：所述的膜层为PDMS膜、聚甲基丙烯酸甲脂膜或聚碳酸酯膜。

4.如权利要求1所述的一种用于溶胶法SERS检测的微流控芯片，其特征在于：还包括一顶层，所述的顶层盖设于上层上方，在对应溶液进口处设有注射工具固定孔。

5.一种溶胶SERS检测方法，包括如下步骤：

1)制备权利要求1至4任一项所述的微流控芯片；

2)制备包覆度为40-70％的AuSiO2纳米粒子；

3)在纳米粒子溶液中加入待测物溶液，调节体系团聚粒度为100μm-300μm，之后从微流控芯片的溶液进口中注入，液体流经检测区时，在检测区进行拉曼检测。

6.如权利要求5所述的一种溶胶SERS检测方法，其特征在于：步骤3)采用硫酸和NaOH来调节体系团聚度。

7.如权利要求5所述的一种溶胶SERS检测方法，其特征在于：步骤3)调节体系团聚粒度的方法为加入硫酸后加入等当量的碱。

8.如权利要求5所述的一种溶胶SERS检测方法，其特征在于：步骤3)液体在检测区的流动速度为100-1000μl/h。