CN109709035B - 一种微流控芯片的sers检测方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种微流控芯片的SERS检测系统及方法，该系统包括：输送装置，用于输送磁性SERS颗粒溶胶和检测样品；微流控芯片，包括基板、设在所述基板上的混合单元和用透明材质制成的检测单元；所述混合单元与检测单元之间通过微流道连通；所述混合单元的入口与所述输送装置连接；所述检测单元具有出样口；磁力驱动装置；位于所述微流控芯片正对检测单元的一面，用以提供磁力驱动位于检测单元内的磁性SERS颗粒移动并在预定位置形成SERS热点。该方案解决了现有技术中检测灵敏度低、可靠性差、样品处理及检测操作复杂、检测时间长、设备笨重等问题，并能提高基底热点形成的可控性。

Description

一种微流控芯片的SERS检测方法及系统

技术领域

本发明涉及光谱检测技术领域，尤其是一种微流控芯片的SERS检测方法及系统。

背景技术

微流控芯片可以把化学和生物等领域所涉及的样品制备、反应、分离、检测及细胞培养、分选和裂解等基本操作单元集成或基本集成到一块几平方厘米(甚至更小)的芯片上，由微流道形成网络、以可控流体贯穿整个系统，用以取代常规化学或生物实验室的各种功能的一种技术平台，具有灵活组合、规模集成，具备小型化、自动化、集成化、高通量等优点，是生化检测设备自动化、小型化的重要手段。

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman scattering，以下简称SERS)技术是一种新兴的光谱检测技术，在高灵敏度现场实时生化检测领域具有巨大的潜在应用前景。高性能SERS基底的可控制备或构造是SERS技术应用的关键。SERS基底通常是带有纳米尖端或纳米间隙的金属纳米结构。金属结构表面电磁场会在纳米尖端或间隙位置发生聚集或耦合，形成局部电磁场增强，生成SERS热点。

SERS技术与微流控技术联合使用时，通常采用金属纳米颗粒溶胶作为SERS基底。为了在金属纳米颗粒之间产生SERS热点，需要使纳米颗粒团聚。现有方法中，通常需要在金属溶胶中加入盐溶液改变颗粒表面电性，金属纳米颗粒形成絮状的聚集体。然而，金属纳米颗粒对盐溶液的类别、浓度等特性，以及温度、振动等环境因素极度敏感，团聚过程不可控，因此基底SERS特性不稳定，具体参见图1a和图1b。

发明内容

本发明提供一种微流控芯片的SERS检测方法及系统，用于克服现有技术中检测灵敏度低、可靠性差、样品处理及检测操作复杂、检测时间长、设备笨重等缺陷，避免使用盐溶液聚集金属纳米颗粒不可控、引入多余杂质的缺点，利用外加磁场富集流道内增强因子高、可控性能好的磁性SERS颗粒，构建密度大、强度高的SERS热点，保证了基底良好的可重复性，并最终在硬件和软件上实现了多种技术的系统集成，有利于检测设备的自动化、小型化、便携化。

为实现上述目的，本发明提出一种微流控芯片的SERS检测系统，包括：

输送装置，用于输送磁性SERS颗粒溶胶和检测样品；

微流控芯片，包括基板、设在所述基板上的混合单元和用透明材质制成的检测单元；所述混合单元与检测单元之间通过微流道连通；所述混合单元的入口与所述输送装置连接；所述检测单元具有出样口；

磁力驱动装置；位于所述微流控芯片正对检测单元的一面，用以提供磁力驱动位于检测单元内的磁性SERS颗粒移动并在预定位置排列并形成SERS热点

为实现上述目的，本发明还提出一种微流控芯片的SERS检测方法，包括以下步骤：

步骤1，按照预定方式向微流控芯片内部输送磁性SERS颗粒溶胶和检测样品；

步骤2，磁性SERS颗粒溶胶和检测样品在微流控芯片内部经微流通道进入混合单元的内腔充分混合；

步骤3，混合后的流体经微流通道进入检测腔；

步骤4，通过控制位于微流控芯片外部的磁场，以从检测单元的正下方施加磁力使得检测腔内的磁性SERS颗粒富集在预定位置紧密排列，并形成SERS热点；

步骤5，通过拉曼光谱仪发射端的激光器从检测单元的正上方向磁性SERS颗粒发射激光，检测信号经拉曼光谱仪接收端的接收器传输置至分析装置进行分析并显示分析结果；

步骤6，振荡外部磁场使磁性SERS颗粒溶胶分散在溶液中，随后控制输送装置注入缓冲液，使磁性SERS颗粒流动，排出检测单元，完成出样。

本发明提供的微流控芯片的SERS检测方法及系统，利用外部磁场控制具有SERS活性的磁性颗粒，在微流控芯片内富集，实现磁性颗粒的均匀排列，并应用于SERS检测；该方案采用磁性诱导和微流控制相结合的方法提高SERS热点的可控性，保证了基底(微流控芯片)具有良好的可重复性，降低了颗粒富集的技术难度；在基于SERS技术的生物化学传感、生物医学检测应用等领域都有广阔的应用前景。

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，下面将对实施例或现有技术描述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的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。

图1a通过加入盐溶液导致金属纳米颗粒聚集的SEM图一；

图1b通过加入盐溶液导致金属纳米颗粒聚集的SEM图二；

图2为本发明实施例提供的SERS检测系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的SERS检测系统中微流控芯片的结构示意图；

图4a为磁性SERS颗粒在磁力驱动装置下平面上任意聚集的示意图；

图4b为磁性SERS颗粒在磁力驱动装置下限域凹坑内聚集的示意图；

图5为SERS热点位置示意图；

图6为图3的微流控芯片的PDMS微流道加工流程图；

图7为图3中微流控芯片的局部剖视图。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

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的一部分实施例，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作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。

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。

本发明提出一种SERS检测系统及方法。

实施例一

请参照图2-5，本发明提供一种SERS检测方法，包括以下步骤：

步骤1，按照预定方式通过输送装置向微流控芯片2内部输送磁性SERS颗粒溶胶和检测样品；

通过微量注射泵、导管、微注射器分别将待混合样品(磁性SERS颗粒溶胶和检测样品)注入到微流控芯片2之中。整个进样过程中，流速、流量和进样的先后顺序都可以通过程序设置来完成。磁性SERS颗粒溶胶内含有若干金属磁珠，金属磁珠包括磁性球体内核和包覆于所述磁性球体内核外表的贵金属壳层，具有磁性的锰铁氧体微球作为磁性球体内核，贵金属壳层材质包括金、银或铜；

步骤2，磁性SERS颗粒溶胶和检测样品在微流控芯片2内部经微流通道3进入混合单元21的内腔充分混合；

通过微流控系统及磁性操作实现待测物与磁性颗粒胶体的充分混合；

步骤3，混合后的流体经微流通道3进入微流控芯片2的检测单元22的检测腔22a内；

步骤4，通过控制位于微流控芯片2外部的磁场，以从检测单元22的正下方施加磁力使得检测腔22a内的磁性SERS颗粒富集在预定位置紧密排列，并形成SERS热点；参见图5；

利用计算机控制的电磁铁6形成磁场，对磁性SERS颗粒进行控制，对流道内的磁性SERS颗粒进行富集，在指定位置构建密排磁性SERS颗粒的SERS基底(密排的磁性SERS颗粒形成SERS热点)。

步骤5，通过拉曼光谱仪发射端的激光器3从检测单元22的正上方向磁性SERS颗粒发射激光，检测信号经拉曼光谱仪接收端的接收器4传输至分析装置5进行分析并显示分析结果；

在表面增强拉曼散射基底的辅助下，采集磁控区域内物质的SERS信号。在本发明一具体实施例中，利用拉曼光谱仪自带的显微镜寻找基底实际工作位置，采集磁控区域的SERS信号；在本发明另一具体实施例中，对于大尺寸基底可以直接通过观察磁控区域的位置，采集磁控区域的SERS信号。在磁控区域内拉曼光谱检测的光路参见图5，在实际应用中，用拉曼光谱仪直接测量。

步骤6，振荡外部磁场使磁性SERS颗粒溶胶分散在溶液中，随后控制输送装置注入缓冲液，使磁性SERS颗粒流动，排出检测单元22，完成出样。

注入缓冲之前可撤除外部磁场，使磁性SERS颗粒经检测单元22出样。断开电磁铁6的电源，磁力消失，磁性SERS颗粒散开在微流控系统的作用下经微流通道7的出口出样。

本发明实施例的基于磁性金属纳米颗粒和微流控芯片的SERS检测方法，采用微流控芯片控制内部流体的运动，利用计算机控制的电磁铁对S1中制备好的磁性颗粒进行控制，使流道内的磁性颗粒富集，在指定位置构建密排的磁性颗粒SERS基底，当流体运动至受到外加磁场控制的SERS基底区域时，系统内集成的便携式拉曼光谱仪介入工作，进行SERS检测工作。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

①银壳磁珠的合成工艺创新，简化了银壳磁珠的工艺方法，提高了银壳结合的效率，保证了银壳磁珠的均一性，实现了银壳厚度的可控调节；

②利用外部磁场对磁性颗粒进行控制，颗粒富集效率提高，SERS热点强度和密度增强，聚合/分散过程可逆；

③微流控系统提高了检测的自动化和小型化水平，降低了检测操作难度，减少了人工干预。此外，微流控芯片还进一步与便携式拉曼光谱仪及磁控单元进行集成，搭建信号检测系统，有利于实现小型化生物检测仪器的研制。

在本发明一实施例中，微流控芯片2的检测单元22内部的检测腔成水平层状，将电磁铁按照预定的位置阵列在微流控芯片2下方正对检测单元22的位置，如图2中所示的SERS热点，需要在微流控芯片2下方布置九块电磁铁6，利用计算机控制的电磁铁对磁性颗粒进行控制，对检测腔22a内的磁性颗粒在磁力的作用下进行富集，在指定位置构建密排的磁性颗粒SERS基底。

在本发明另一实施例中：利用永磁铁或电磁铁6在SERS基底本体下方反复振动，诱导磁性颗粒进入预选区域(参见图4，形成在检测腔底面上多个用于富集磁性SERS颗粒的凹坑22b)，在混合后的磁性SERS颗粒溶胶和检测样品进入检测腔时，使位于微流控芯片下方的磁铁正对检测腔底面在垂直凹坑深度的方向上反复振动；在有磁力吸引的条件下，去除表面液滴，烘干基底，即可在凹坑22b构建密排的磁性颗粒SERS基底。

本发明实施例还提供一种SERS检测系统，包括：

输送装置，用于输送磁性SERS颗粒溶胶和检测样品；

微流控芯片2，包括基板23、设在所述基板23上的混合单元21和用透明材质制成的检测单元23；所述混合单元21与检测单元22之间通过微流道7连通；所述混合单元21的入口与所述输送装置连接；所述检测单元具有出样口；

在本发明一实施例中，混合单元21的入口包括：第一入口23用于输入磁性SERS颗粒溶胶，第二入口25用于输入检测样品，所述输送装置包括：第一微量注射泵11，第二微量注射泵12；第一微量注射泵11与所述混合单元的第一入口23通过微流通道7连接，用于输送磁性SERS颗粒溶胶；第二微量注射泵12与所述混合单元的第二入口24通过微流通道7连接，用于输送检测样品。

磁力驱动装置，位于所述微流控芯片正对检测单元的一面，用以提供磁力驱动位于检测单元22内的磁性SERS颗粒移动并在预定位置形成SERS热点。驱动装置具体可以是永磁铁或电磁铁以及控制电磁铁得电或失电的驱动电路。

优选地，所述输送装置还包括：第三微量注射泵13，用于与所述混合单元21的第三入口25通过微流通道7连接，用于输送缓冲液。

优选地，所述混合单元21由迂回盘设的微流通道7形成。为了充分混合磁性SERS颗粒溶胶、检测样品及缓冲液，微流通道7具体可盘设呈蛇形、螺旋形等。

作为优选实施例一，所述检测单元22呈平板状，所述检测单元22内部具有平流层状的检测腔22a；所述磁力驱动装置包括阵列于所述检测腔正下方的多个磁铁。

利用计算机控制的电磁铁对磁性颗粒进行控制，对检测腔22a内的磁性颗粒在磁力的作用下进行富集，在指定位置构建密排的磁性颗粒SERS基底。

作为优选实施例二，在优选实施例一的基础上，参见图7，所述检测单元22呈平板状，所述检测单元22内部具有平流层状的检测腔22a；平流层状的检测腔22a与检测单元22外部形状相似，大致呈层状空间，顶面和底面光滑且平行，边界形状不限；

所述检测腔22a的底面上形成有多个用于形成所述SERS热点的凹坑22b；所述驱动装置包括用于形成振动磁场的电磁铁6。

利用永磁铁或电磁铁6在SERS基底本体下方反复振动，诱导磁性颗粒进入预选区域(没有设置的凹坑的平面上采用磁力驱动装置诱导磁性SERS颗粒排列的示意图参见图4a，设置限域坑的微流控芯片参见图4b，形成在检测腔底面上多个用于富集磁性SERS颗粒的凹坑22b)，在混合后的磁性SERS颗粒溶胶和检测样品进入检测腔时，使位于微流控芯片下方的磁铁正对检测腔底面在垂直凹坑深度的方向上反复振动；在有磁力吸引的条件下，去除表面液滴，烘干基底，即可在凹坑22b构建密排的磁性颗粒SERS基底。

优选地SERS检测系统，还包括拉曼光谱仪和控制装置，其中：

拉曼光谱仪的发射端(激光器3)朝向所述微流控芯片2正对所述检测单元22的面；

拉曼光谱仪的信号接收端(接收器4)朝向所述微流控芯片2正对所述检测单元22的面，信号输出端连接分析装置5；

拉曼光谱仪的分析装置5用于对对信号接收端接收的信号进行分析并显示分析结果；

所述基板23的材质为聚合物，所述微流通道的材质为PDMS材料；

控制装置用于按照预设的程序控制所述第一微量注射泵11、第二微量注射泵12及第三微量注射泵13的流速和流量。

激光器3向检测单元22的凹坑22b内的磁性金属颗粒发射激光，通过接收器4接收通过SERS基底的磁性金属颗粒发出的信号，系统内集成的便携式拉曼光谱仪(分析装置5)介入工作，进行SERS检测工作。

磁性颗粒流入微流控系统后与被检测物充分混合，经外加磁场作用在指定区域富集，磁性金属纳米颗粒相互靠近；构建高密度、高强度SERS“热点”，增强样品的本征拉曼光谱，实现对样品非标记快速检测。该方案解决了现有技术中检测灵敏度低、可靠性差、样品处理及检测操作复杂、检测时间长、设备笨重等问题，并能提高基底热点形成的可控性。

本发明实施例还提供一种微流控芯片制备方法，参见图2、图6，包括以下步骤：

步骤1，制备混合单元和检测单元；其中制备混合单元的步骤包括：

步骤101，在玻璃基板上按照微流通道的路径涂覆SU-8胶，完成掩膜板的制作；

步骤102，紫外光照射SU-8胶后成型，完成SU-8胶阳模的制备；

步骤103，向SU-8胶阳模上浇注PDMS聚合物；

步骤104，PDMS聚合物固化成形后脱模，从玻璃板上去除SU-8胶阳模，得到由PDMS聚合物固化成形后形成的微流道基片；

制备检测单元的步骤包括：

步骤201，在玻璃基板上按照检测腔、凹坑、入口及出口的形状和布局涂覆SU-8胶，完成掩膜板的制作；

步骤202，紫外光照射SU-8胶后成型，完成SU-8胶阳模的制备；

步骤203，向SU-8胶阳模上浇注PDMS聚合物；

步骤204，PDMS聚合物固化成形后脱模，从玻璃板上去除SU-8胶阳模，得到由PDMS聚合物固化成形后形成的检测基片；

步骤205，将透光片与检测基片裸露检测腔的一面键合，形成检测单元；

步骤2，将微流道基片具有槽口的一面及与玻璃板键合，将检测单元背离透光片的一面与玻璃板键合；

步骤3，微流道基片与检测单元入口以及微流道基片与检测单元出口之间用PDMS聚合物连接。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (3)

1.一种微流控芯片的SERS检测系统，其特征在于，包括：

微流控芯片，包括基板、设在所述基板上的混合单元和用透明材质制成的检测单元；混合单元与检测单元之间通过微流通道连通；所述混合单元的入口与 输送装置连接；所述检测单元具有出样口；所述检测单元呈平板状，所述检测单元内部具有平流层状的检测腔；所述检测腔的底面上形成用于磁性SERS颗粒密集排列的凹坑阵列；所述基板的材质为聚合物，所述微流通道的材质为PDMS材料；

输送装置，用于输送磁性SERS颗粒溶胶、检测样品和缓冲液；所述输送装置包括：第一微量注射泵，与所述混合单元的入口通过导管连接，用于输送磁性SERS颗粒溶胶；第二微量注射泵，与所述混合单元的入口通过导管连接，用于输送检测样品；第三微量注射泵，与所述混合单元的入口通过导管连接，用于输送缓冲液；

磁力驱动装置，位于所述微流控芯片正对检测单元的一面，用以提供磁力驱动位于检测单元内的磁性SERS颗粒移动并在所述凹坑阵列中整齐排列并形成SERS热点；所述磁力驱动装置包括阵列于所述检测腔正下方的用于形成振动磁场的电磁铁；

拉曼光谱仪，包括：发射端、接收端和分析装置；所述发射端朝向所述微流控芯片正对检测腔底面上的凹坑阵列；所述接收端朝向所述微流控芯片正对所述检测单元的面；所述分析装置用于对信号接收端接收的信号进行分析并显示分析结果；

控制装置，用于按照预设的程序控制所述第一微量注射泵、第二微量注射泵及第三微量注射泵的流速和流量；

当混合后的磁性SERS颗粒溶胶和检测样品进入检测腔时，利用电磁铁正对检测腔底面在垂直凹坑深度的方向上反复振动形成振动磁场，使检测腔内的磁性SERS颗粒在振动磁场的作用下在凹坑阵列内富集，磁性SERS颗粒相互靠近，构建高密度、高强度SERS热点。

2.根据权利要求1所述的微流控芯片的SERS检测系统，其特征在于，所述混合单元由迂回盘设的微流通道形成。

3.一种微流控芯片的SERS检测方法，其特征在于，应用于权利要求1或2所述的微流控芯片的SERS检测系统中，包括以下步骤：

步骤1，按照预定方式向微流控芯片内部输送缓冲液、磁性SERS颗粒溶胶以及检测样品；磁性SERS颗粒溶胶包括若干贵金属磁珠；

步骤2，缓冲液、磁性SERS颗粒溶胶以及检测样品在微流控芯片内部经微流通道进入混合单元内充分混合；

步骤3，混合后的流体经微流通道进入微流控芯片的检测单元内；

步骤4，通过控制位于微流控芯片外部的磁场，以从检测单元的正下方施加磁力使得检测单元内的磁性SERS颗粒富集并整齐排列在检测腔底面上的凹坑阵列中，并形成SERS热点；

步骤5，通过拉曼光谱仪发射端的激光器从检测单元的检测腔底面上凹坑阵列的正上方向磁性SERS颗粒发射激光，检测信号经拉曼光谱仪接收端的接收器传输至分析装置进行分析并显示分析结果；

步骤6，剧烈振荡外部磁场使磁性SERS颗粒溶胶分散在溶液中，随后控制输送装置注入缓冲液，使磁性SERS颗粒流动，排出检测单元，完成出样；

其中，所述步骤4包括：

在混合后的磁性SERS颗粒溶胶和检测样品进入检测腔时，使位于微流控芯片下方的电磁铁正对检测腔底面在垂直凹坑深度的方向上反复振动。

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