CN105092555A - 微流控表面增强拉曼测试芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流控表面增强拉曼测试芯片及其制备方法。该制备方法包括以下步骤：步骤S1、提供一具有上表面、下表面以及在上表面和下表面之间延伸的厚度方向的模板，该模板具有多个间隔开的通孔，每一通孔沿模板的厚度方向穿透模板；步骤S2、采用具有SERS活性的金属材料在模板的多个通孔的每一通孔内形成金属柱，从而获得一金属柱群；步骤S3、去除模板的材料，在任意两个相邻的金属柱之间形成供待测流体通过的微流道；步骤S4、对金属柱群进行封装，从而获得微流控表面增强拉曼测试芯片。本发明通过在测试芯片的检测区设置具有三维增益柱面的金属柱群，大大增加了检测区与待测分子的接触面积，大幅提升了增益系数和检测灵敏度。

Description

微流控表面增强拉曼测试芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及微流体的拉曼检测技术领域，特别是涉及一种微流控表面增强拉曼测试芯片及其制备方法。

背景技术

表面增强拉曼技术(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)是指借助粗糙金属表面或金属纳米结构增强吸附分子的拉曼信号的技术，它可以使拉曼信号增强10¹⁰～10¹¹倍，这意味着它能检测单个分子。由于其具有超高的灵敏度，SERS技术已被广泛应用于化学、生物学、医学等领域。

微流控芯片技术(MicrofluidicChip，MC)是指把化学、生物和医学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等操作单元集成到微米尺度的芯片上，由微通道组成网络，以可控流体贯穿整个系统，从而取代常规生物医学或化学实验室的各种功能的技术。微流控芯片也被称作芯片实验室(Labonachip)，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行几百个样品的同时分析。与传统的分析方法相比，它具有分析效率高、试剂消耗量小和体积小易于集成等优点。

随着微流控芯片的集成化和微型化，其处理的微流体的体积逐渐减少，从nL(10^-9L)到pL(10^-12L)甚至到fL(10^-15L)，如此微量的体积使得试样分子的检测成为难题。但是具有超高灵敏度的SERS技术恰好能解决这一难题，于是，基于SERS检测技术的微流控芯片应运而生。

目前这种芯片尚处于研究阶段，还没有统一的名字，一般称作微流控表面增强拉曼测试芯片(MicrofluidicSERSChip，MSC)。SERS技术与MC技术的结合使得其自身的缺陷也得到了克服，相比于传统的SERS技术，MSC技术有着以下几大优势：1)克服了被测分子在增益介质表面分布不均的问题，大大提高了数据的可靠性以及测试的可重复性；2)解决了局域加热的问题，避免了分子在测试过程中受热分解；3，可用于流体的实时SERS监测。

目前，微流控表面增强拉曼测试芯片大致可以分为两种：颗粒式芯片和基底式芯片。颗粒式芯片是指利用分散的SERS纳米颗粒增强拉曼信号的芯片。如Taylor等人以纳米银颗粒作为检测试剂制备出了颗粒式的MSC。由于颗粒式芯片制备容易，只需要设计纳米颗粒试剂的入口沟道以及与试样溶液混合的混合沟道即可，所以它也成为各国研究小组普遍采用的方法。颗粒式芯片虽然制备简单、成本低廉，但是它也有着自身的缺点，例如：1)在测试过程中纳米颗粒是随着液体的流动而不断损耗的，这样造成了极大的浪费；2)它必须设计弯曲的混合沟道来促使待测溶液和检测试剂充分混合，这样就延长了测试时间，降低了效率；3)因为纳米颗粒容易沉降和团聚，所以它必须在测试前当即配制，或经过化学修饰以保持分散状态。

基底式芯片是指利用固定的SERS基底增强拉曼信号的芯片，如Mao等人利用光刻、深反应离子束刻蚀、化学气相沉积和热蒸镀等微加工方法制备出了以纳米柱阵列为SERS基底的MSC，其增益系数可以达到5.2×10⁵，并且制备出的SERS基底式芯片在测试时具有良好的一致性。不足之处在于，此基底式芯片主要以纳米柱的顶端面为增益表面，这使得其增益系数的提升有限，而且制备工艺复杂，成本高昂，不利于大规模生产。

综上所述，虽然基底式芯片的制备过程复杂一些，但是其测试信号一致性良好且使用起来简单方便，不存在颗粒式芯片的上述问题。因此，如何基于基底式芯片进行改进以提升其增益系数可能成为未来市场的主流。

发明内容

本发明的目的旨在提供一种微流控表面增强拉曼测试芯片及其制备方法，该测试芯片的检测区设置具有三维增益面结构的金属柱群，增加了与待测分子的接触表面积，从而大幅提升了增益系数和检测的灵敏度。

根据本发明的一个方面，提供了一种微流控表面增强拉曼测试芯片的制备方法，包括以下步骤：步骤S1、提供一模板，模板具有上表面和下表面以及在上表面和下表面之间延伸的厚度方向，模板具有多个间隔开的通孔，每一通孔沿模板的厚度方向穿透模板；步骤S2、采用具有SERS活性的金属材料在模板的多个通孔的每一通孔内形成金属柱，从而获得一金属柱群；步骤S3、去除模板的材料，以暴露出金属柱群，从而在任意两个相邻的金属柱之间形成供待测流体通过的微流道；以及步骤S4、对具有微流道的金属柱群进行封装，使得金属柱群作为微流控表面增强拉曼测试芯片的检测区，从而获得微流控表面增强拉曼测试芯片。

进一步地，在步骤S1中，通孔在垂直于厚度方向上的尺寸为纳米量级。

进一步地，在步骤S2中，金属材料完全填充通孔，并且之后继续在模板的上表面上形成覆盖上表面的金属覆盖膜。

进一步地，在步骤S2中，采用电化学沉积法将金属材料沉积至模板。

进一步地，在电化学沉积中所采用的电镀液选自含金离子的溶液、含银离子的溶液、含铜离子的溶液和含铂离子的溶液中的一种或多种。

进一步地，模板的材料为聚碳酸酯或阳极氧化铝。

进一步地，在步骤S3中，采用腐蚀液去除模板的材料；优选地，模板的材料为聚碳酸酯时，采用二氯甲烷作为腐蚀液；模板的材料为阳极氧化铝时，采用磷酸溶液作为腐蚀液。

进一步地，在步骤S1中，模板的下表面被连接至一透明且导电的第一硬质基板上；在步骤S2中，还包括在金属覆盖膜上设置的第二硬质基板。

根据本发明的另一方面，提供了一种微流控表面增强拉曼测试芯片，包括：第一硬质基板；第二硬质基板，与第一硬质基板相对平行设置；以及由具有SERS活性的金属材料形成的金属层，设置在第一硬质基板和第二硬质基板之间，并由第一硬质基板延伸至第二硬质基板；其中，金属层包括由多个金属柱形成的金属柱群，每一金属柱沿从第一硬质基板到第二硬质基板的厚度方向延伸，并且金属柱群中任意两个相邻的金属柱之间形成供待测流体通过的微流道。

进一步地，金属柱在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸为纳米量级。

进一步地，第一硬质基板由透明且导电的材料制成，金属柱群从第一硬质基板开始朝向第二硬质基板的厚度方向延伸。

进一步地，金属层还包括位于金属柱群与第二硬质基板之间的金属覆盖膜，金属覆盖膜与金属柱群一体成型。

进一步地，还包括分别设置在第一硬质基板与金属层之间的第一粘结层，以及设置在第二硬质基板与金属层之间的第二粘结层；第一粘结层由透明导电粘结剂形成。

进一步地，金属柱群垂直于第一硬质基板和第二硬质基板设置。

进一步地，金属柱群中每个金属柱的竖直高度为3μm～12μm，优选为6μm。

进一步地，金属柱的密度为1ⅹ10⁸个/cm²～6ⅹ10⁸个/cm²，优选地，金属柱为圆柱结构时，金属柱的直径为10nm～400nm。

应用本发明的技术方案，通过在微流控表面增强拉曼测试芯片的检测区设置具有三维增益柱面的金属柱群，该结构相对于传统的基底式的增益表面结构，大大增加了检测区与待测分子的接触面积，从而大幅提升了增益系数和检测灵敏度。本发明还可以根据所设置的金属柱群中每个金属柱的直径、金属柱群的周期进行设计、调整，进而满足不同测量条件的要求，具有检测一致性好且成本低等优势。本发明所提供的制备方法操作简单。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1为根据本发明一种实施例的微流控表面增强拉曼测试芯片的结构示意图；

图2为根据本发明一种实施例的采用电化学沉积法制备金属柱群的电镀状态示意图；以及

图3为根据本发明一种实施例的制备微流控表面增强拉曼测试芯片的流程示意图；

图4为根据本发明一种实施例的微流控表面增强拉曼测试芯片的实际应用状态示意图。

具体实施方式

为了解决现有技术中的基底式测试芯片的增益系数及检测灵敏度低的问题，本发明提供了一种微流控表面增强拉曼测试芯片。如图1所示，该测试芯片包括第一硬质基板20、第二硬质基板30以及由具有SERS活性的金属材料形成的金属层40。第二硬质基板30与第一硬质基板20相对平行设置。金属层40设置在第一硬质基板20和第二硬质基板30之间，并由第一硬质基板20延伸至第二硬质基板30。金属层40可以包括由多个金属柱12形成的金属柱群，每一金属柱12沿从第一硬质基板20到第二硬质基板30的厚度方向延伸，并且金属柱群中任意两个相邻的金属柱12之间形成供待测流体通过的微流道13。

本发明通过在检测区设置金属柱群结构，并在任意两个相邻的金属柱12之间形成微流道13，在检测时大大增加了通过微流道13的待测物质与金属柱群表面之间的接触面积，进而大幅提升了增益系数和检测灵敏度。

如图1所示，在本发明的一个实施例中，金属层40除了包括由金属柱12形成的金属柱群外，还包括位于金属柱群与第二硬质基板30之间的金属覆盖膜14。其中金属覆盖膜14与金属柱群一体成型。通过设置一体成型的金属覆盖膜14，使得金属柱12通过金属覆盖膜14与第二硬质基板30连接，增加了金属柱群的稳固性。同时由于一体成型的金属覆盖膜14存在，待测物质从微流道13流过时，也会与金属覆盖膜14具有接触面积，进一步提升了检测时的增益系数和检测灵敏度。

在本发明的一个未示出的实施例中，金属层40可以仅包括由金属柱12形成的金属柱群。

金属柱12在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸可以为纳米量级。在本发明的一个实施例中，金属柱群中每个金属柱12的竖直高度为3μm～12μm，此高度由模板的厚度决定。将金属柱12的高度限定在上述范围内，可以保证待测物质与金属柱三维增益面之间具有足够大的接触面积，进而保证检测的灵敏度。在本发明的一个优选实施例中，金属柱群中每个金属柱12的竖直高度为6μm。

金属柱12是随机分布的，密度为1×10⁸个/cm²～6×10⁸个/cm²。采用此密度范围周期的金属柱12形成的金属柱群具有大约400nm的平均间距，不仅能够使得待测物质在微流道13中顺利流过，同时也保证了待测物质与金属柱三维增益面的接触面积，保证了在最小的光斑范围内至少有一个金属柱，确保了检测的准确性、灵敏度和均匀性。在一个具体实施例中，金属柱12为圆柱结构时，金属柱12的直径为10nm～400nm。

在检测时，为了使得光线能够顺利通过第一硬质基板20，在一个实施例中，第一硬质基板20由透明且导电的材料制成，优选由导电玻璃制成。可以根据需要设置金属柱12在第一硬质基板20上的位置。在一个优选的实施例中，金属柱群垂直于第一硬质基板20和第二硬质基板30设置。金属柱群从第一硬质基板20开始朝向第二硬质基板30的厚度方向延伸。在其他的实施例中，金属柱群也可以与第一硬质基板20及第二硬质基板30呈一定角度设置。

如图1所示，在一个具体实施例中，该测试芯片还可以包括分别设置在第一硬质基板20与金属层40之间的第一粘结层50，以及设置在第二硬质基板30与金属层40之间的第二粘结层60。其中，第一粘结层50由透明导电粘结剂形成。

根据本发明的另一方面，还提供了一种微流控表面增强拉曼测试芯片的制备方法，可以包括以下描述的若干步骤。

在步骤S1中，提供一模板10，该模板10具有上表面和下表面以及在上表面和下表面之间延伸的厚度方向。其中，模板10具有多个间隔开的通孔，每一通孔沿模板10的厚度方向穿透模板10。其中，通孔在垂直于厚度方向上的尺寸为纳米量级。设置好模板10后，在模板10上制备SERS检测结构。为了方便电镀，需要在模板10的下表面连接至一透明且导电的第一硬质基板20上。

在步骤S2中，采用具有SERS活性的金属材料在模板10的多个通孔的每一通孔内形成金属柱12，从而获得一金属柱群。在一个具体实施例中，如图2所示，采用电化学沉积法在模板10的通孔内沉积金属颗粒，即将电学处理过的模板10置于电镀液中电镀，进而制备出具有SERS活性的金属柱群。所采用的电镀液选自含金离子的溶液、含银离子的溶液、含铜离子的溶液和含铂离子的溶液中的一种或多种。

在一个优选实施例中，还可以在金属柱群上继续沉积，从而在金属柱群上形成金属覆盖膜14。随后，可以在金属覆盖膜14上设置第二硬质基板30。

在步骤S3中，去除模板10的材料，以暴露出金属柱群，从而在任意两个相邻的金属柱12之间形成供待测物质通过的微流道13。优选采用腐蚀液腐蚀掉模板10的材料来形成微流道13。在一种典型实施例中，模板10可以采用聚碳酸酯模板(PolycarbonateMembrane，PCM)，腐蚀液可以采用二氯甲烷。还可以采用其他的一些纳米孔模板材料，如在其它实施例中可以采用阳极氧化铝模板(AnodicAluminumOxide，AAO)，此时采用质量百分比浓度为5％的H₃PO₄溶液作为腐蚀液。

在步骤S4中，对具有微流道13的金属柱群进行封装，使得金属柱群作为微流控表面增强拉曼测试芯片的检测区，从而获得微流控表面增强拉曼测试芯片。

下面结合图1至图3进一步对制备工艺流程进行描述。在一个具体实施例中，可以先将PCM模板用透明导电胶固定于一块导电玻璃的导电面上。然后如图2所示那样连接电池的负极，并置于电镀液银离子混合溶液(10g/LAgNO₃,5g/LEDTA,50g/LNa₂SO₃,20g/LK₂HPO₄)中。电池的正极与一块电极相连，也置于电镀液中。电路中的电流表和电压表用来监测金属柱12的生长情况。电镀液中含有大量的Ag⁺，当闭合开关时，Ag⁺被吸引到PCM模板的通孔里，当通孔里的Ag⁺接触到负电极时将会获得一个电子而被还原成Ag单质。在图3中，箭头A'和A”分别代表银柱的生长中期和末期。开始时银沉积在模板的通孔内，随着时间的流逝，银柱不断在通孔里生长，银单质完全填充通孔，并且之后继续在模板10的上表面上横向生长，最后连成一片，形成覆盖上表面的金属覆盖膜14。此时用肉眼可以观察到PCM模板的表面呈银白色，这表示生长过程已经完成，断开开关即停止生长。图3中的箭头B代表固定步骤，采用二元胶将金属覆盖膜14与第二硬质基板30(如玻璃片)粘合。C代表腐蚀PCM模板的步骤，将半成芯片置于二氯甲烷腐蚀液中浸泡约20分钟，然后依次用丙酮、酒精漂洗。箭头D代表封装步骤，将封装材料聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂按10:1比重混合，然后注到模子里，插上微管，于60℃下加热60分钟，待PDMS烘干后将其取出。将成型后的PDMS/微管结构与银柱结构用胶粘合，这样完成微流控表面增强拉曼测试芯片的封装。

在其它实施例中，还可以采用一些塑性封装材料，如市售的聚甲基丙烯酸甲酯(PolymethylMethacrylate,PMMA)、聚苯乙烯(Polystyrene)、硝化纤维(Nitrocellulose)、聚乙烯(Poly(ethylene))等。

图4为本发明的微流控表面增强拉曼测试芯片的实际应用状态示意图。如图4所示，将待测试的液体分子3注入微流道13内，液体分子3在流动过程中会与金属柱12碰撞或粘附于金属柱12的表面。如果将激光1聚焦于金属柱的表面，会引起金属柱的表面电子结构与激光1共振，这使得激光1与金属柱的相互作用指数倍地增强，从而强烈地增强了液体分子3的拉曼信号2。拉曼信号2在散射出来之前又会被纳米柱再次增强。这两步的增强过程使得本发明制备的微流控表面增强拉曼测试芯片具有超高的检测灵敏度。这样可以通过探测散射出来的拉曼信号2，我们就可以对微流体中的液体分子3进行监测。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种微流控表面增强拉曼测试芯片的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1、提供一模板(10)，所述模板(10)具有上表面、下表面以及在所述上表面和所述下表面之间延伸的厚度方向，所述模板(10)具有多个间隔开的通孔，每一所述通孔沿所述模板(10)的厚度方向穿透所述模板(10)；

步骤S2、采用具有SERS活性的金属材料在所述模板(10)的多个所述通孔的每一所述通孔内形成金属柱(12)，从而获得一金属柱群；

步骤S3、去除所述模板(10)的材料，以暴露出所述金属柱群，从而在任意两个相邻的所述金属柱(12)之间形成供待测流体通过的微流道(13)；以及

步骤S4、对具有所述微流道(13)的所述金属柱群进行封装，使得所述金属柱群作为所述微流控表面增强拉曼测试芯片的检测区，从而获得所述微流控表面增强拉曼测试芯片。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其中，在所述步骤S1中，所述通孔在垂直于所述厚度方向上的尺寸为纳米量级。

3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其中，在所述步骤S2中，所述金属材料完全填充所述通孔，并且之后继续在所述模板(10)的所述上表面上形成覆盖所述上表面的金属覆盖膜(14)。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的制备方法，其中，在所述步骤S2中，采用电化学沉积法将所述金属材料沉积至所述模板(10)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其中，所述模板(10)的材料为聚碳酸酯或阳极氧化铝；优选地，在所述步骤S3中，采用腐蚀液去除所述模板(10)的材料；进一步优选地，所述模板的材料为聚碳酸酯时，采用二氯甲烷作为腐蚀液；所述模板的材料为阳极氧化铝时，采用磷酸溶液作为腐蚀液。

6.一种微流控表面增强拉曼测试芯片，包括：

第一硬质基板(20)；

第二硬质基板(30)，与所述第一硬质基板(20)相对平行设置；以及

由具有SERS活性的金属材料形成的金属层(40)，设置在所述第一硬质基板(20)和所述第二硬质基板(30)之间，并由所述第一硬质基板(20)延伸至所述第二硬质基板(30)；

其中，所述金属层(40)包括由多个金属柱(12)形成的金属柱群，每一所述金属柱(12)沿从所述第一硬质基板(20)到所述第二硬质基板(30)的厚度方向延伸，并且所述金属柱群中任意两个相邻的所述金属柱(12)之间形成供待测流体通过的微流道(13)。

7.根据权利要求6所述的测试芯片，其中，所述金属柱(12)在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸为纳米量级。

8.根据权利要求6或7所述的测试芯片，其中，所述第一硬质基板(20)由透明且导电的材料制成，所述金属柱群从所述第一硬质基板(20)开始朝向所述第二硬质基板(30)的厚度方向延伸。

9.根据权利要求6-8中任一项所述的测试芯片，其中，所述金属层(40)还包括位于所述金属柱群与所述第二硬质基板(30)之间的金属覆盖膜(14)，所述金属覆盖膜(14)与所述金属柱群一体成型。

10.根据权利要求6-9中任一项所述的测试芯片，其中，所述金属柱群垂直于所述第一硬质基板(20)和所述第二硬质基板(30)设置。