CN105548136B - 一种透明sers衬底及微流控芯片、制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种透明SERS衬底及微流控芯片、制备方法和应用，在AAO模板的表面溅射或热蒸发一层Ag或Au，Ag或Au颗粒聚集在暴露出的AAO模板的锥形孔的孔壁上端面，形成纳米柱阵列；同时AAO模板的锥形孔的内壁也获得了纳米颗粒，制得透明SERS衬底。本发明的透明SERS衬底与微流控技术进行联用，使得具有SERS活性的一面直接与微流控芯片储液池中的液体接触产生SERS信号这样就可以减少溶液本身带来的影响；另外，由于透明SERS衬底非常薄，只有几十个微米，因此很容易就能把激光斑点聚焦在SERS的活性点，克服把不透明的衬底放置在下面所造成不宜聚焦的缺陷。另外，因为是封装微流控顶部的SERS衬底是透明的，还可以利用它在显微镜下同时进行其他光学信号如荧光的测量。

Description

一种透明SERS衬底及微流控芯片、制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种微流控芯片，尤其涉及的是一种透明SERS衬底及微流控芯片的制备方法和应用。
背景技术
微流控芯片，称芯片实验室，是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术，具有将化学和生物实验室的基本功能微缩到一个几平方厘米大小芯片上的能力。它以微管道网络为结构特征，生命科学为主要应用对象，开始在分析化学、生命科学及生物医学器件等领域发挥愈来愈重要的作用,是当前生命科学、化学、微机械和微电子学领域的研究热点。大多数微流控系统是在直径约为10cm玻璃或硅基片上，采用光刻、化学腐蚀等方法，刻蚀出截面近似梯形的微通道和储液池；在微通道和储液池的适当位置用气相沉积方法制作出金电极和引线，用粘贴或静电键合的方法把一块玻璃片封接到硅片上闭合微通道；在玻璃片上对应储液池的位置钻出通孔，以填加试剂和样品。
为了提高微流控芯片的应用范围及其检测水平，常常把微流控芯片与其他技术联用。表面增强拉曼散射(SERS)技术是一种新型的光谱检测技术，是指当分子吸附在一些特殊金属(主要为贵金属)或半导体纳米结构表面时，其拉曼散射信号被增强多个数量级的现象。它具有快速、简单、灵敏度高、指纹识别以及可重复性好的优势。这种联用技术能够应用在化学、生物和医学以及环境等领域，例如对催化及化学反应过程的研究、低浓度物质的检测及分析，以及氨基酸、蛋白质、核酸或其它生物色素的测定等。为了实现与SERS技术的联用，目前使用的方法是把SERS衬底封存在芯片的储液池的底部。但这种方法有一些缺陷，例如由于SERS衬底在液体中，与顶端封装的玻璃片之间有一段距离，这样很难把激光斑点聚焦在SERS衬底上，使得SERS信号与聚焦在SERS衬底上的效果相比有所减弱；此外，每次聚焦的位置不同，使得SERS增强的效果也不一样，从而影响测试效果。另外，如果注入储液池的液体或者反应之后的液体有些自身带有颜色或者液体本身透光性不好，这些也会对SERS信号的强度以及SERS信号的重复性带来影响。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供了一种透明SERS衬底及微流控芯片的制备方法和应用，提高SERS衬底的检测范围和精度。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明一种透明SERS衬底的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)制备表面带有尖端纳米结构的透明AAO模板，透明AAO模板的表面尖端纳米结构形成锥形孔状；
(2)在AAO模板的表面溅射或热蒸发一层Ag或Au，溅射距离为1～3cm，溅射电流10～30mA，溅射时间为5～30min，Ag或Au颗粒聚集在暴露出的AAO模板的锥形孔的孔壁上端面，形成纳米柱阵列；同时AAO模板的锥形孔的内壁也获得了纳米颗粒，制得透明SERS衬底。
所述步骤(1)中制备表面带有尖端纳米结构的透明AAO模板的方法如下：
(11)将抛光后的高纯铝片在0.2～0.4mol/L的草酸溶液中用30～50V直流电压阳极氧化5～7h，然后在50～70℃的6wt﹪磷酸和1.8wt﹪铬酸的混和溶液中浸泡8～10h，除去一次阳极氧化在高纯铝片表面获得的不规则孔的氧化铝膜；
(12)把步骤(11)制得的AAO模板的铝基底在0.2～0.4mol/L的草酸溶液中用30～50V直流电压阳极氧化30～50s，接着把所得到的模板在30～50℃下5％的磷酸溶液中扩孔1～3min,重复上述氧化和扩孔过程多次；
(13)将步骤(12)中所得到的表面带有尖端纳米结构的AAO模板在原有的氧化条件下继续阳极氧化8～12h，去模板背部的铝片得到了透明AAO模板。
所述步骤(13)中，选用饱和四氯化锡、氯化汞、氯化铜溶液中任一种去除模板背部的铝片。
所述步骤(2)中，溅射时间为14min。
制备的透明SERS衬底在有机分子的官能团的检测或光学信号检测中的应用。
一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，在芯片衬底上刻蚀储液池及微通道，所述储液池暴露在衬底的顶部，然后把透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上，制得具有透明SERS衬底微流控芯片。
先在底层衬底上刻蚀出微通道，然后将中层衬底对底层衬底进行密封，并在中层衬底的顶部刻蚀出储液池、用于与外部连通的通孔，储液池连通微通道，微通道连接外部进出液管道，透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上。
在芯片衬底的底部刻蚀出微通道，然后在芯片衬底的顶部刻蚀储液池，微通道连通储液池，微通道连接外部进出液管道，透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上。
制备的微流控芯片在有机分子的官能团的检测或光学信号检测中的应用。
本发明相比现有技术具有以下优点：本发明的透明SERS衬底具有SERS活性的一面直接与储液池中的液体接触产生SERS信号这样就可以减少溶液本身带来的影响；另外，由于透明SERS衬底非常薄，只有几十个微米，这样激光斑点可以很容易就聚焦在透明SERS衬底的支撑端进而聚焦在纳米阵列衬底上，从而克服把不透明的衬底放置在下面所造成不宜聚焦的缺陷。另外，因为是封装微流控顶部的SERS衬底是透明的，还可以利用它在显微镜下同时进行其他光学信号如荧光的测量。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是透明SERS衬底的局部示意图；
图3是透明SERS衬底的制备流程图；
图4是透明AAO模板和透明SERS衬底的扫描图片，
图4a为透明AAO模板的平面扫描照片，图4b为透明AAO模板的切面照片，图4c为透明SERS衬底Ag纳米柱阵列平面扫描照片，图4d为透明SERS衬底Ag纳米柱阵列倾斜45°扫描照片；
图5是溅射不同时间Ag的透明衬底的SERS活性；
图6是透明SERS衬底对低浓度p-ATP的检测。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图3所示，本实施例包括以下步骤：
(1)制备表面带有尖端纳米结构的透明AAO模板；
(11)将抛光后的高纯铝片在0.3mol/L的草酸溶液中用40V直流电压阳极氧化6h，然后在60℃的6wt﹪磷酸和1.8wt﹪铬酸的混和溶液中浸泡9h，除去一次阳极氧化在高纯铝片表面获得的不规则孔的氧化铝膜；
(12)利用交叉氧化扩孔的方法制备表面具有尖端纳米结构的氧化铝模板：把步骤(11)制得的AAO模板的铝基底在0.3mol/L的草酸溶液中用40V直流电压阳极氧化40s，接着把所得到的模板在40℃下5％的磷酸溶液中扩孔2min，重复上述氧化和扩孔过程18次；
(13)将步骤(12)中所得到的表面带有尖端纳米结构的AAO模板在原有的氧化条件下继续阳极氧化10h，通过饱和四氯化锡溶液去除模板背部的铝片，得到了透明AAO模板，如图4a和b所示,透明AAO模板的表面尖端纳米结构形成锥形孔状；
(2)通过溅射Au或Ag在AAO模板上得到排列整齐的贵金属纳米阵列透明SERS衬底；
在AAO模板的表面溅射一层Ag，溅射距离为2cm，溅射电流选择20mA，溅射时间为12min，Ag颗粒聚集在暴露出的AAO模板的“锥形孔”壁的上端面，形成位于“锥形孔”壁的上端面的Ag“纳米柱”阵列；同时“锥形孔”的内壁上也获得了大量直径更细小的纳米颗粒，如图4c和d所示；
(3)在有机玻璃的顶部刻蚀储液池及微通道，然后把透明SERS衬底覆盖密封在有机玻璃的顶部制得具有透明SERS衬底微流控芯片：先在底层有机玻璃1上刻蚀出微通道11，然后将中层有机玻璃2对底层有机玻璃1进行密封，并在中层有机玻璃2的顶部刻蚀出储液池21、用于与外部连通的通孔，储液池21暴露在中层有机玻璃2的顶部，把透明SERS衬底5上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池21上即可，制得的微流控芯片通过两个进液通道3和一个出液通道4进行采样和出样，两个进液通道3通过微通道11连通至储液池21，出液通道3通过微通道11连通到储液池21，如图1和2所示。
其他实施例中，可以在单层有机玻璃上进行刻蚀。
其他实施例中，也可以选用硅材料、玻璃、石英材料、塑料或其他有机聚合物材料等常用的制备微流控芯片的芯片衬底材料，本实施例的芯片衬底有两层包括底层有机玻璃1和中层有机玻璃2，其他实施例中的芯片衬底可以选用一层。
实施例2
在AAO模板的表面溅射一层Ag，溅射时间为14min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例3
在AAO模板的表面溅射一层Ag，溅射时间为16min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例4
在AAO模板的表面溅射一层Ag，溅射时间为18min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例5
在AAO模板的表面热蒸发一层Au，溅射时间为12min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例6
在AAO模板的表面热蒸发一层Au，溅射时间为14min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例7
在AAO模板的表面热蒸发一层Au，溅射时间为16min。其他实施方式和实施例1相同。
实施例8
在AAO模板的表面热蒸发一层Au，溅射时间为18min。其他实施方式和实施例1相同。
如实施例1～4所示，对透明AAO模板纳米尖端表面溅射不同时间的Ag，并测试其SERS活性，利用10-7mol/L的对氨基苯硫醇(p-ATP)进行表征，发现随着Ag溅射时间的延长Ag纳米柱阵列的直径逐渐增加，纳米柱之间的间隙逐渐减小，从而使得衬底的SERS活性逐渐增加。但纳米柱直径的增加，使得SERS衬底的透明度有所降低。测试时由于Ag纳米柱阵列与储液池中的液体接触，衬底的透明度降低会影响SERS信号的强度。经过测试发现，当溅射时间为14min时，用来做微流控芯片的透明衬底SERS活性最佳，如图5所示。
将实施例2，溅射时间为14min的微流控芯片测试了低浓度的p-ATP溶液，发现在浓度低至10-12mol/L时依然具有很好的SERS响应，如图6所示。
其他实施例中，可以直接将透明SERS衬底带有贵金属纳米柱阵列的一侧放置于待测物体上即可。
可以用其来检测微量物质、环境、化学、工业生产和生物样品中的有机分子的官能团，也可以对光学信号如荧光进行检测。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，其特征在于，首先制备透明SERS衬底：
包括以下步骤：
(1)制备表面带有尖端纳米结构的透明AAO模板，透明AAO模板的表面尖端纳米结构形成锥形孔状；
(11)将抛光后的高纯铝片在0.2～0.4mol/L的草酸溶液中用30～50V直流电压阳极氧化5～7h，然后在50～70℃的6wt﹪磷酸和1.8wt﹪铬酸的混和溶液中浸泡8～10h，除去一次阳极氧化在高纯铝片表面获得的不规则孔的氧化铝膜；
(12)把步骤(11)制得的AAO模板的铝基底在0.2～0.4mol/L的草酸溶液中用30～50V直流电压阳极氧化30～50s，接着把所得到的模板在30～50℃下5％的磷酸溶液中扩孔1～3min,重复上述氧化和扩孔过程多次；
(13)将步骤(12)中所得到的表面带有尖端纳米结构的AAO模板在原有的氧化条件下继续阳极氧化8～12h，去模板背部的铝片得到了透明AAO模板；
(2)在AAO模板的表面溅射或热蒸发一层Ag或Au，溅射距离为1～3cm，溅射电流10～30mA，溅射时间为5～30min，Ag或Au颗粒聚集在暴露出的AAO模板的锥形孔的孔壁上端面，形成纳米柱阵列；同时AAO模板的锥形孔的内壁也获得了纳米颗粒，制得透明SERS衬底；
然后在芯片衬底上刻蚀储液池及微通道，所述储液池暴露在衬底的顶部，然后把透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上，制得具有透明SERS衬底微流控芯片。
2.根据权利要求1所述的一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，其特征在于，所述步骤(13)中，选用饱和四氯化锡、氯化汞、氯化铜溶液中任一种去除模板背部的铝片。
3.根据权利要求1所述的一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，溅射时间为14min。
4.根据权利要求1所述的一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，其特征在于，先在底层衬底上刻蚀出微通道，然后将中层衬底对底层衬底进行密封，并在中层衬底的顶部刻蚀出储液池、用于与外部连通的通孔，储液池连通微通道，微通道连接外部进出液管道，透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上。
5.根据权利要求1所述的一种利用透明SERS衬底制备微流控芯片的方法，其特征在于，在芯片衬底的底部刻蚀出微通道，然后在芯片衬底的顶部刻蚀储液池，微通道连通储液池，微通道连接外部进出液管道，透明SERS衬底上的贵金属纳米阵列朝下覆盖密封在储液池上。
6.如权利要求1制备的微流控芯片在有机分子的官能团的检测或光学信号检测中的应用。
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