CN105149020A - 一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片 - Google Patents

Abstract

本发明是一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片。将具有微纳结构端面的光纤作为收集光纤嵌入微流控芯片，并将激励光纤和收集光纤按一定的角度和位置耦合，依靠激光诱导富集金纳米颗粒作用来增强拉曼散射，实现对液体样品的拉曼检测和分析。在对基于金纳米颗粒增强拉曼散射的样品溶液进行检测时，由样品加注口注入样品溶液，使在检测池内的激发光纤和收集光纤端面完全浸入在样品溶液中，由激发光纤出射的激光持续照射样品溶液，并照耀到收集光纤的微结构端面，一种光诱导富集金纳米颗粒的作用会使金纳米颗粒在收集光纤的端面产生富集，收集光纤的微纳结构端面能显著的增强金纳米颗粒富集效果，并使样品拉曼散射检测信号能够获得不断的增强。该发明以简单的结构实现了基于金纳米颗增强拉曼检测的整个过程，为拉曼检测的小型化、便携化提供一种解决方案。

Description

一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片

技术领域

本发明属于激光拉曼光谱分析领域。具体涉及一种采用了一种嵌入具有微纳结构端面光纤的检测区域呈开放式的微流控芯片，利用光诱导富集金纳米颗粒的作用在微纳结构端面光纤富集金纳米颗粒，从而增强拉曼散射强度，可应用于液体样品的拉曼光谱分析。

背景技术

拉曼光谱反映了物质的结构信息,为研究晶体和分子的内部结构提供了一个有效的手段。由于在检测中其具有对样品免标记、非接触的特点，因此被广泛用于物质结构和成份的检测。然而，由于拉曼散射强度太低，使得其应用受到限制。表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)，尤其金属(包括金、银、铜等)纳米粒子增强的拉曼散射可极大地提高拉曼信号的强度，并且使拉曼检测可重复性和稳定性更好，操作更简单。随着其研究和发展，SERS越来越显示出其成为研究分子结构和物质组成的最基本和有力的手段之一。

光流控(Optofluidics)一种将光对微流中微粒检测和操作与微流控芯片相结合的技术，通过在微尺度范围光和微流的相互作用实现更加集成的应用。将光波导嵌入微流控并且和SERS的结合实现的光流控SERS芯片，可实现高集成、高性能、小体积、易操作、低成本的拉曼检测系统。

将贵金属通过电子束蒸镀、磁控溅射、表面自组装等方法在光纤端面、锥型光纤末端、D型光纤磨削面以及光子晶体光纤等制备金属表面/薄膜，通过该金属表面的拉曼增强作用已经被用来进行拉曼光谱检测，该类具备金属表面的光纤制备工艺复杂，成本高，而其在微流控芯片集成时性能往往收到影响。而本申请所提出的将普通的具有微纳结构端面的石英光纤作为收集光纤直接嵌入微流控芯片，再利用光诱导金纳米颗粒富集作用，依靠光纤端面的立体微纳结构增加富集面积和对微纳金颗粒的容纳堆积作用，增大光诱导金颗粒的富集效果，从而在收集光纤端面形成金纳米颗粒的堆层，通过富集后的金纳米颗粒增强拉曼来进行拉曼光谱检测分析。石英光纤可以通过微纳加工或化学腐蚀的方法直接制备，可以省去微纳金属结构光纤的制备过程，使其更易于与微流控芯片集成，省去复杂的外部空间光路组件，实现免对准、免调整的集成化检测，实现便携化、小型化的应用。

在激光对溶液中纳米颗粒的照射下，由于激光的光力作用和纳米粒子对激光吸收产生的热效应，纳米颗粒会出现团聚现象。利用此原理，本发明提出的一种利用具有微纳结构端面的光纤作为收集光纤，将其嵌入微流控芯片，激光从激发光纤出射后，经过金纳米胶体溶液，照射到在激光传输路径上的收集光纤端面上，在该端面上金纳米颗粒发生团聚富集现象，而光纤具备的微纳结构端面增大了富集端面的富集面积，金纳米颗粒的不断富集使拉曼散射强度得到不断的增强。本发明是利用光纤实现光诱导富集金纳米颗粒的增强拉曼散射，将光纤的耦合结构嵌入微流控芯片，借助微流控芯片制作技术和结构特点解决了光纤相对角度和位置固定的问题，同时也实现了样品的微量化的样品检测和分析。

发明内容

本发明是一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片，通过激光诱导富集作用将金纳米颗粒富集在具有微纳结构端面的光纤端面上，实现对液体样品的增强拉曼散射检测。其设计原理如图1。

通过微纳加工方法制备带微流道的微流控芯片2与玻璃基片1键合，微流芯片包含有样品加注孔3、微流道8、开放的检测区域4和样品排出孔5。带有一定厚度的微流控芯片2具有开放的检测区域4，该区域既作为检测时液体样品的缓存池，同时设计成向空气开放的结构形式，用于当光激励时将光热能及时挥发扩散而不至于产生气泡。收集光纤7通过微纳加工和化学腐蚀的方法在收集端面制备柱型7a、锥型7b、半球型7c的等结构形成粗糙端面，通过立体的微纳结构增加富集面积和对微纳金颗粒的容纳堆积作用，增大光诱导金颗粒的富集效果。激励光纤6和收集光纤7以一定耦合角度10嵌入微流控芯片中，两光纤的末端均在检测区域4内，并保证一定的纵向距离12和横向距离11。该角度和距离要能保证当激励激光从激励光纤6出射时，其光束14能保证照射到收集光纤7端面的中心，在激光诱导金纳米颗粒13富集中获得最优的增强拉曼散射进行检测性能。

本发明的主要特色

将具备微纳结构端面的收集光纤嵌入微流控芯片并使其与激发光纤固定于一定的角度和位置，利用光诱导富集金属纳米颗粒作用和光纤的微纳端面对金颗粒的容纳堆积作用，实现拉曼检测的信号增强进行样品的拉曼检测和分析。光被限制在光纤内传输，省去了外部空间光路结构，测试时无需对准和调焦。两光纤成合适的钝角耦合，使拉曼散射能耦合进入收集光纤，同时又由于光纤的数值孔径，使光源的背景光更少的进入光纤。激发光纤出射的激光要照射在收集光纤端面上，其利用了光力和光热的共同作用，在收集光纤端面产生金属纳米粒子富集，其使拉曼散射随着激光功率和照射时间的增加而增大。

本发明的效益和应用前景

该发明提供了一种应用于拉曼检测分析的光纤拉曼微流控芯片，利用光纤实现激励和收集拉曼散射，其具有免聚焦、无需对准调节装置的特点；集成的光诱导富集金属纳米颗粒实现拉曼增强使后续的检测设备更简单，操作更简便；集成的微流控芯片可使拉曼检测集成化，分析微量化，检测设备小型化，便携化。

附图说明

图1光纤嵌入微流芯片总体设计。

图2光纤嵌入微流芯片。

图3具备微纳结构端面的收集光纤。

图4光纤的耦合角度。

图5光纤的耦合和位置。

图6激光诱导富集金纳米颗粒

图7光纤嵌入微流芯片实验系统。

图8实验测量获得的金纳米颗粒增强罗丹明B拉曼光谱。

具体实施方式

通过微纳加工和化学腐蚀的方法在收集光纤7的端面制备微纳结构。收集光纤端面微纳结构纵切面可以为柱型7a，锥型7b，半球型7c等结构。通过微纳加工方法制备微流控芯片2，微流芯片2上设置有样品加注孔3、样品排出孔5、开放的检测区域4、微流通道8和光纤插入通道9。微流芯片2与玻璃基片1键合，后将激发光纤6和收集光纤7插入密封并固化。带有一定厚度的微流控芯片2具有开放的检测区域4，该区域既作为检测时液体样品的缓存池，同时设计成向空气开放的结构形式，用于当光激励时将激光照射产生的热能及时挥发扩散而不至于产生气泡。激励光纤6和收集光纤7以135°耦合角度10嵌入微流控芯片中，角度太小(如90度或锐角)拉曼检测性能太弱；角度太大(如大于160度至180度)会使过多的光源背景耦合进入光纤，滤波光路15难以滤除太强的背景干扰。两光纤的末端均在检测区域4内，并保证一定的纵向距离12和横向距离11，纵向距离12越大，芯片性能越弱；纵向距离12越小，芯片性能越好，但激励光纤6和收集光纤7端面中心对准时对横向距离11误差要求越高。钝角角度10和横向距离11要能保证当激励激光从激励光纤6出射时，其射光束14要照射到收集光纤7端面的中心，进行检测时方能获得最优的增强拉曼散射性能。

光纤的耦合角度10成钝角时且横向距离11和纵向距离12对准时，激励激光从激励光纤6出射时，其出射光束14要能照射到收集光纤7端面的中心，光束照射到金纳米粒子13，金纳米颗粒13在光诱导作用下在收集光纤7的微纳结构端面富集，金纳米颗粒的持续富集使拉曼散射不断的增强。

在芯片测试应用中，按照图7搭建测试的实验测试系统，波长785nm的可调功率光纤拉曼激光器19通过其尾纤与芯片的激发光纤6耦合，芯片的收集光纤7另一端，经过滤波光路15滤除激发光源背景后，耦合进入光谱仪尾纤16，通过拉曼光谱仪17扫描拉曼光谱，在计算机18上记录拉曼光谱数据。以罗丹明B为测试样品进行实验测量，在微流控芯片上实现光诱导金纳米颗粒富集检测。图8是罗丹明B(10ppm)和纳米金颗粒(50mg/mL)以3:20的比例混合，通过光诱导纳米金颗粒富集的拉曼增强作用所测的拉曼光谱。

Claims (10)

1.一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片，其包括激发光纤，具有微纳结构端面的收集光纤，微流通道，样品加注孔、样品排出孔，开放的检测液存储池。

2.权利要求1中所述的激发光纤为纤芯直径10到50微米，包层直径125到250微米的石英光纤。

3.权利要求1中所述的收集光纤为纤芯直径100到250微米，包层直径125到500微米的石英光纤，其嵌入芯片的末端端面具有微纳立体结构，其微纳立体结构包括通过微纳加工工艺获得的有序排列的柱型、锥型、半球型结构和通过化学腐蚀方法获得无序的不规则立体结构。

4.权利要求1中的微流控芯片，其基底材质为玻璃和石英玻璃，其芯片材质为聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)。

5.权利要求1中所述的微流通道，其横截面为矩形、圆形。

6.权利要求1中所述的样品为液体样品，其为增强拉曼散射的金纳米溶胶和待测样品的混合液。

7.权利要求1中所述的样品加注孔为圆形，直径在0.5毫米到5毫米之间。

8.权利要求1中所述的样品排出孔为圆形，直径在0.5毫米到5毫米之间。

9.权利要求1中所述的开放的检测液存储池，其池底面为芯片基底，池顶面对空气开放，其结构为矩形、圆形、椭圆形、三角形、多边形结构，开放部分的面积在1平方毫米到1平方厘米之间。

10.权利要求1中所述的收集光纤和激发光纤，其端面在检测液存储池内实现激发耦合，耦合时从激发光纤出射的激光要能照耀在收集光纤的端面中心，两光纤中心轴处于同一平面内，两光纤的中心轴所呈角度在100度到160度之间，收集光纤端面中心与激发光纤端面中心在与激光出射相同方向上距离在0到5毫米范围，在与激光出射垂直方向上距离在0到50微米范围。