CN109520994A - 一种微流控生物检测系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微流控生物检测系统及方法。该系统包括：微流控生物芯片、倏逝波光纤SERS探针和便携式拉曼光谱仪；微流控生物芯片包括微流控通道和探针接口，微流控通道位于微流控生物芯片的内部，探针接口从微流控生物芯片外部贯穿至微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；探针包括传输段和敏感段，敏感段由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，倏逝波光纤结构位于传输段的第一端，贵金属纳米结构位于倏逝波光纤结构的表面；在进行微流控生物检测时，探针的敏感段通过探针接口伸入微流控通道的检测区；传输段的第二端与便携式拉曼光谱仪连接。本发明可有效降低基底的制备难度和成本，提高微流控生物检测灵敏度。

Description

一种微流控生物检测系统及方法
技术领域
本发明涉及微流控生物检测领域，特别是涉及一种微流控生物检测系统及方法。
背景技术
微流控生物检测是指利用微流控生物芯片对生物样品进行检测，具有集成度高、消耗试剂少、分析速度快、高通量等优点，在生物医学、生命科学等研究中具有重要应用。表面增强拉曼散射(surface enhanced Raman scattering,SERS)光谱作为一类重要的光谱技术，已被广泛应用于微流控生物检测中。
为了实现微流控生物SERS光谱检测，SERS基底和拉曼光谱检测仪器两者必不可少。目前，微流控SERS基底的常用构筑方法主要有以下两种：一种通过将贵金属纳米颗粒溶胶与待测生物溶液在微流控通道中均匀混合以实现SERS增强，另一种为在微流控通道固定位置制备贵金属纳米结构而实现SERS增强。进行拉曼光谱检测时，考虑到生物分子的拉曼散射截面小、易发生光损伤和光致变性等，人们通常需采用具有高检测灵敏度的大型共聚焦显微拉曼光谱仪以实现生物分子SERS光谱的采集。
基于上述微流控SERS光谱检测技术，人们已在实验室实现多种生物分子的检测；但是，现有微流控生物SERS检测方法依然存在着以下问题限制其广泛应用：(1)受到微流控通道尺寸的限制，上述微流控SERS基底的制备难度较大，且考虑到贵金属颗粒表面分子脱附困难，基底通常只能单次使用；(2)光谱检测需采用大型显微共聚焦拉曼光谱仪，仪器昂贵且笨重，难以满足现场生物检测的需求；(3)生物分子的检测灵敏度有待进一步提升。
发明内容
本发明的目的是提供一种微流控生物检测系统及方法，以克服现有微流控生物SERS检测方法或系统的缺陷，提高生物分子的检测灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种微流控生物检测系统，包括：微流控生物芯片、倏逝波光纤SERS探针和便携式拉曼光谱仪；
所述微流控生物芯片包括微流控通道和探针接口，所述微流控通道位于所述微流控生物芯片的内部，所述探针接口从所述微流控生物芯片外部贯穿至所述微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；
所述倏逝波光纤SERS探针包括传输段和敏感段，所述敏感段由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面；在进行微流控生物检测时，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述探针接口伸入所述微流控通道的检测区；所述传输段的第二端与所述便携式拉曼光谱仪连接。
可选的，所述微流控通道的检测区的横截面直径大于所述倏逝波光纤SERS探针的直径，所述微流控通道的检测区的深度大于所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段的长度。
可选的，所述微流控通道的直径与所述倏逝波光纤SERS探针的直径在同一个量级。
可选的，所述倏逝波光纤结构包括单光纤锥、双光纤锥或光纤组合锥。
可选的，所述传输段的第二端与所述便携式拉曼光谱仪的连接方式为空间光路耦合连接或光纤耦合连接。
本发明还提供一种微流控生物检测方法，包括：
将待测生物样品引入至微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；所述微流控生物芯片包括微流控通道和探针接口，所述微流控通道位于所述微流控生物芯片的内部，所述探针接口从所述微流控生物芯片外部贯穿至所述微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；
将倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述微流控生物芯片的探针接口直插入所述微流控通道的检测区的液面下方；所述倏逝波光纤SERS探针包括传输段和敏感段，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面；
将所述倏逝波光纤SERS探针的传输段的第二端与便携式拉曼光谱仪连接；
打开所述便携式拉曼光谱仪，进行拉曼光谱采集，实现微流控生物检测。
可选的，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述微流控生物芯片的探针接口直插入所述微流控通道的检测区的液面下方，之前还包括：
利用熔融拉锥法或HF腐蚀法在所述传输段的第一端形成倏逝波光纤结构；
采用物理或者化学方法将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，形成所述倏逝波光纤SERS探针。
可选的，所述将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，采用的物理或者化学方法包括：化学修饰固定法、激光诱导化学沉积法和激光诱导倏逝波俘获法。
本发明还提供一种倏逝波光纤SERS探针，包括传输段和敏感段，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段包括：倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面。
本发明还提供一种制备倏逝波光纤SERS探针的方法，包括：
利用熔融拉锥法或HF腐蚀法在传输段的第一端形成倏逝波光纤结构；
采用物理或者化学方法将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，形成所述倏逝波光纤SERS探针。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
利用倏逝波光纤SERS探针代替传统微流控通道SERS基底，避免在微流控通道中制备贵金属纳米颗粒或结构，较大程度降低基底的制备难度；同时，在同一块微流控生物芯片上，通过简单更换倏逝波光纤SERS探针，即可实现生物样品的不同批次检测，有效降低成本。
利用倏逝波光纤SERS探针的表面倏逝波特性，能够在极大增加贵金属纳米颗粒与生物分子间的SERS相互作用面积的同时，有效降低生物分子的光热损伤或光致变性效应，从而利于提高微流控生物检测灵敏度。
此外，倏逝波光纤SERS探针易与便携式拉曼光谱仪联用，构建小型化、便携式微流控生物检测系统，在生物医学的即时检测(point-of-care testing，POCT)领域具有重要应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明微流控生物检测系统的结构示意图；
图2为本发明微流控生物检测方法的流程示意图；
图3为本发明倏逝波光纤SERS探针实施例的结构示意图。
图中标号：1：微流控生物芯片，2：倏逝波光纤SERS探针，3：便携式拉曼光谱仪，1-1：微流控通道，1-2：探针接口，1-3：微流控通道的检测区，1-4：进样导管，1-5：出样导管，2-1传输段，2-2敏感段。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明微流控生物检测系统的结构示意图。如图1所示，所述微流控生物检测系统具体包括：微流控生物芯片1、倏逝波光纤SERS探针2和便携式拉曼光谱仪3。
所述微流控生物芯片包括微流控通道1-1和探针接口1-2，所述微流控通道1-1位于所述微流控生物芯片1的内部，所述探针接口1-2从所述微流控生物芯片1的外部贯穿至所述微流控生物芯片1内部的微流控通道的检测区1-3。微流控生物芯片1还包括进样导管1-4和出样导管1-5。所述微流控生物芯片1的材料可以为石英玻璃或有机聚合物材料PDMS、PMMA等。所述微流控通道的检测区1-3的横截面直径大于所述倏逝波光纤SERS探针2的直径，所述微流控通道的检测区1-3的深度大于所述倏逝波光纤SERS探针2的敏感段2-2的长度，以确保倏逝波光纤SERS探针的敏感段2-2能够完全浸没至检测区溶液中，典型地，倏逝波光纤SERS探针2所用的多模光纤包层直径为50微米，倏逝波光纤SERS探针2的敏感段2-2长度为150微米，则微流控通道的检测区1-3的尺寸通常为直径80微米、深度200微米。所述微流控通道1-2的直径与所述倏逝波光纤SERS探针2的直径在同一个量级，通常在几十微米至百微米量级。
微流控通道的检测区1-3恰好位于探针接口1-2的正下方，便于将倏逝波光纤SERS探针的敏感段2-2引入微流控生物芯片1内进行SERS光谱采集。在进行微流控生物检测时，所述倏逝波光纤SERS探针2的敏感段2-2通过所述探针接口1-2伸入所述微流控通道的检测区1-3。
所述倏逝波光纤SERS探针2包括传输段2-1和敏感段2-2，所述敏感段2-2由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，所述倏逝波光纤结构位于传输段2-1的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面。本发明涉及的贵金属包括金、银、铂中的一种或多种，用于提供大的SERS增强因子。所述倏逝波光纤结构包括单光纤锥、双光纤锥、光纤组合锥等；所述倏逝波光纤SERS探针2的物理或化学制备方法通常为化学修饰固定法、激光诱导化学沉积法、激光诱导倏逝波俘获法等。通常传输段2-1采用多模光纤，在多模光纤的第一端制备倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构，形成敏感段2-2，以此形成倏逝波光纤SERS探针2。
所述倏逝波光纤SERS探针2的传输段2-1的第二端与所述便携式拉曼光谱仪3连接。所述的传输段2-1的第二端与便携式拉曼光谱仪3的连接方式可以为空间光路耦合连接或FC/PC、SMA905等光纤直接耦合连接。便携式拉曼光谱仪3可以采用光纤探针增强型的便携式拉曼光谱仪(具体结构参见申请号为201710658688.6的专利申请文件中公开的便携式拉曼光谱仪)，此光纤探针增强型的便携式拉曼光谱仪利用FC/PC或SMA905光纤接口与倏逝波光纤SERS探针2的传输段2-1的第二端耦合连接；还可以采用目前市场上商售拉曼光谱仪(例如美国必达泰克公司的便携式拉曼光谱仪i-Raman)，利用空间光路耦合方式与倏逝波光纤SERS探针2的传输段2-1的第二端耦合连接。
本发明采用倏逝波光纤SERS探针2进行微流控生物检测的原理为：在拉曼激发光作用下，倏逝波光纤结构表面将形成倏逝波光场分布；当倏逝波光纤SERS探针2的敏感段2-2浸入微流控通道的检测区1-3的生物溶液中时，位于光纤倏逝波光场中的待测生物分子将受到指向光纤表面的光镊力作用，运动并吸附至光纤表面贵金属纳米结构附近；在局域表面等离子体共振效应下，贵金属纳米结构附近生物分子的拉曼信号得到极大增强；同时，利用光纤倏逝波特性，可以极大增加生物分子与倏逝波光纤SERS探针间的相互作用面积，且能够有效避免拉曼检测过程中生物分子的光热损伤和光致变性问题，从而实现微流控生物高灵敏度检测。
采用图1所示的微流控生物检测系统可以实现微流控生物检测过程，图2为本发明微流控生物检测方法的流程示意图。如图2所示，所述微流控生物检测方法的具体过程如下：
步骤100：将待测生物样品引入至微流控芯片内部的微流控通道的检测区。接通微流控生物芯片的进样导管和出样导管，以此将待测生物样品引入至微流控通道检测区。
步骤200：将倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过微流控生物芯片的探针接口直插入微流控通道的检测区的液面下方。
步骤300：将倏逝波光纤SERS探针的传输段的第二端与便携式拉曼光谱仪连接。
步骤400：打开便携式拉曼光谱仪，进行拉曼光谱采集，实现微流控生物检测。
关于本发明所使用的倏逝波光纤SERS探针的具体制备过程如下：
利用熔融拉锥法或HF腐蚀法在所述传输段的第一端形成倏逝波光纤结构；
采用物理或者化学方法将具有较大局域场增强特性的贵金属纳米结构(或颗粒)制备至所述倏逝波光纤结构的表面，形成倏逝波光纤SERS探针。
图3为本发明倏逝波光纤SERS探针实施例的结构示意图。如图3所示，本实施例的倏逝波光纤SERS探针为光纤组合锥结构。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种微流控生物检测系统，其特征在于，包括：微流控生物芯片、倏逝波光纤SERS探针和便携式拉曼光谱仪；
所述微流控生物芯片包括微流控通道和探针接口，所述微流控通道位于所述微流控生物芯片的内部，所述探针接口从所述微流控生物芯片外部贯穿至所述微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；
所述倏逝波光纤SERS探针包括传输段和敏感段，所述敏感段由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面；在进行微流控生物检测时，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述探针接口伸入所述微流控通道的检测区；所述传输段的第二端与所述便携式拉曼光谱仪连接。
2.根据权利要求1所述的微流控生物检测系统，其特征在于，所述微流控通道的检测区的横截面直径大于所述倏逝波光纤SERS探针的直径，所述微流控通道的检测区的深度大于所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段的长度。
3.根据权利要求1所述的微流控生物检测系统，其特征在于，所述微流控通道的直径与所述倏逝波光纤SERS探针的直径在同一个量级。
4.根据权利要求1所述的微流控生物检测系统，其特征在于，所述倏逝波光纤结构包括单光纤锥、双光纤锥或光纤组合锥。
5.根据权利要求1所述的微流控生物检测系统，其特征在于，所述传输段的第二端与所述便携式拉曼光谱仪的连接方式为空间光路耦合连接或光纤耦合连接。
6.一种微流控生物检测方法，其特征在于，包括：
将待测生物样品引入至微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；所述微流控生物芯片包括微流控通道和探针接口，所述微流控通道位于所述微流控生物芯片的内部，所述探针接口从所述微流控生物芯片外部贯穿至所述微流控生物芯片内部的微流控通道的检测区；
将倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述微流控生物芯片的探针接口直插入所述微流控通道的检测区的液面下方；所述倏逝波光纤SERS探针包括传输段和敏感段，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段由倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构组成，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面；
将所述倏逝波光纤SERS探针的传输段的第二端与便携式拉曼光谱仪连接；
打开所述便携式拉曼光谱仪，进行拉曼光谱采集，实现微流控生物检测。
7.根据权利要求6所述的微流控生物检测方法，其特征在于，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段通过所述微流控生物芯片的探针接口直插入所述微流控通道的检测区的液面下方，之前还包括：
利用熔融拉锥法或HF腐蚀法在所述传输段的第一端形成倏逝波光纤结构；
采用物理或者化学方法将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，形成所述倏逝波光纤SERS探针。
8.根据权利要求7所述的微流控生物检测方法，其特征在于，所述将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，采用的物理或者化学方法包括：化学修饰固定法、激光诱导化学沉积法和激光诱导倏逝波俘获法。
9.一种倏逝波光纤SERS探针，其特征在于，包括传输段和敏感段，所述倏逝波光纤SERS探针的敏感段包括：倏逝波光纤结构和具有局域场增强特性的贵金属纳米结构，所述倏逝波光纤结构位于所述传输段的第一端，所述贵金属纳米结构位于所述倏逝波光纤结构的表面。
10.一种制备倏逝波光纤SERS探针的方法，其特征在于，包括：
利用熔融拉锥法或HF腐蚀法在传输段的第一端形成倏逝波光纤结构；
采用物理或者化学方法将具有局域场增强特性的贵金属纳米结构制备至所述倏逝波光纤结构的表面，形成所述倏逝波光纤SERS探针。
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