CN111282606B - 表面增强拉曼散射的光流芯片及其清洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种表面增强拉曼散射的光流芯片及其清洗方法。光流芯片包括：基底；微流通道，设置于基底中，微流通道用于容纳待检测溶液；光纤，包括光信号输入端和激发端，光信号输入端用于接入光信号，激发端设置于微流通道内；金属纳米岛基底，形成于激发端的端面，金属纳米岛基底用于在外部激光的激发下产生表面等离子共振，以吸附待检测溶液中的物质分子。清洗方法包括：在微流通道中通入去离子水，且使得去离子水淹没金属纳米岛基底；在光信号输入端中接入光信号，经过预定时长后关闭光信号，并去除微流通道中的去离子水。该芯片结构简单，体积小，制作简便易行，可检测低浓度的待检物质，且可实现快速清洗，提高光流芯片的可重复利用性。

Description

表面增强拉曼散射的光流芯片及其清洗方法
技术领域
本发明属于光流控检测技术领域，具体地讲，涉及一种表面增强拉曼散射的光流芯片及其清洗方法。
背景技术
表面增强拉曼散射(Surface-Enhanced Raman Scattering，简称SERS)作为一种常用且先进的物质检测手段，在化学、生物医学和环境保护领域发挥着至关重要的作用。由于SERS强度与金属纳米结构的表面等离子体共振有关，并在很大程度上取决于金属纳米结构的几何形状。因此，常见的SERS基底主要是通过化学吸附法、激光诱导沉积法、原位还原法和光刻法制备金属纳米粒子/结构。尽管这些SERS基底已经变得相对成熟并且是增强拉曼信号的常用工具，但其高昂的制备成本和复杂的工艺使其需要专门的设备和专业的操作。而且，相对较大的基底面积限制了它们的小型化和集成化，这大大限制了SERS检测在痕量液体检测以及实时检测等方面的进一步应用。而光纤传感具有制备简单，体积小，操作灵活等优点，但通常仅能检测高浓度溶液的SERS信号而且难以自清洗，从而限制了光纤基底的灵敏度和可重复性。因此，如何实现低浓度检测且制备可重复利用的SERS光纤基底成为本领域中急需解决的技术问题。
发明内容
(一)本发明所要解决的技术问题
本发明解决的技术问题是：如何对低浓度溶液进行检测且可快速清洗光纤基底。
(二)本发明所采用的技术方案
为解决上述的技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种表面增强拉曼散射的光流芯片，所述光流芯片包括：
基底；
微流通道，设置于所述基底中，所述微流通道用于容纳待检测溶液；
光纤，包括光信号输入端和激发端，所述光信号输入端用于接入光信号，所述激发端设置于所述微流通道内；
金属纳米岛基底，形成于所述激发端的端面，所述金属纳米岛基底用于在外部激光的激发下产生表面等离子共振以及用于吸附待检测溶液中的物质分子。
优选地，所述微流通道包括相互连通的注入口、检测端口和排出口，所述注入口用于注入待检测溶液，所述排出口用于排出待检测溶液，所述检测端口用于供外部激光穿过，以激发所述金属纳米岛基底。
优选地，所述微流通道的正对所述检测端口的位置上设置有通孔，所述激发端穿过所述通孔。
优选地，所述金属纳米岛基底的厚度为10nm～40nm。
优选地，所述金属纳米岛基底的材料为金、银、铜中的任意一种。
本发明还公开了一种表面增强拉曼散射的光流芯片的清洗方法，所述清洗方法包括：
在所述微流通道中通入去离子水，且使得去离子水淹没所述金属纳米岛基底；
在所述光信号输入端中接入光信号，经过预定时长后关闭光信号，并去除所述微流通道中的去离子水。
优选地，所述清洗方法还包括：
清洗完成后，将光流芯片放入真空干燥箱进行干燥。
优选地，所述光信号的波长范围为500nm～800nm，功率范围为10mW～100mW。
优选地，所述预定时长的范围为2.2分钟至6分钟。
本发明还公开了一种表面增强拉曼散射的光流芯片的检测方法，所述检测方法包括：
将待测溶液注入至所述微流通道，并静置预设时长；
向金属纳米岛基底发射激光，并通过共聚焦拉曼探测镜头探测金属纳米岛基底产生的表面增强拉曼散射信号。
(三)有益效果
本发明公开了一种表面增强拉曼散射的光流芯片及其清洗方法，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
(1)从易于集成和可重复性出发，相比于传统的SERS基底制作方法，本发明通过将金属纳米岛基底制作于光纤端面，由于光纤尺寸小，抗腐蚀等特点，能使其更简便、更灵活地与微流芯片集成，能在更狭窄、更紧密的空间中进行检测和清洗。比用制作于体积庞大的玻片、硅片上的SERS基底更加合适。而且，光纤由于光信号的传输并可调节其功率等特点，易于在光热性能良好的金纳米岛表面产生光热微流，以此对金属纳米岛基底进行清洗，从而将其再次使用，提高了SERS基底的可重复性。本发明既可以将光纤集成于微流通道，实现待检物质的痕量检测，避免待测溶液的消耗，又可以更高效、更灵活、可重复地使用，大大增强了SERS检测的应用领域。
(2)制作方法简便易行，成本低廉。本发明所用的光纤，是由二氧化硅单模光纤端面切平而成，光纤材料包括二氧化硅，可以推广到其他光纤材料如硅、聚合物等，制备方法为光纤切割刀切割制成。本发明所使用的金属纳米岛基底通过将金真空蒸镀到光纤端面得到金纳米薄膜，然后退火得到。
(3)检测后可以实现拉曼基底的快速清洗，节约了回收SERS基底的成本时间。相比于传统的SERS基底，本发明所使用的清洗方法方便简单快速，可最大程度的保持金纳米基底结构不受损害，保证了金纳米基底的快速重复利用。增强了SERS在化学，生物医学和环境保护等领域的应用。而清洗时仅仅需要一台光纤激光器，实验设备成本较低，能量损耗较低，增加了能源利用效率。
附图说明
图1是本发明的实施例一的光流芯片的结构示意图；
图2是本发明的实施例一的光流芯片的俯视图；
图3是本发明的实施例二的光流芯片的检测方法的流程图；
图4a是本发明的厚度为10nm的金纳米岛结构(AuNIS10nm)的扫描电子显微镜图；
图4b是本发明的厚度为20nm的金纳米岛结构(AuNIS20nm)的扫描电子显微镜图；
图4c是本发明的厚度为30nm的金纳米岛结构(AuNIS30nm)的扫描电子显微镜图；
图4d是本发明的厚度为40nm的金纳米岛结构(AuNIS40nm)的扫描电子显微镜图；
图5a是在AuNIS10nm上检测的罗丹明6G(R6G)的表面增强拉曼散射(SERS)信号的光谱图；
图5b是在AuNIS20nm上检测的R6G的SERS信号的光谱图；
图5c是在AuNIS30nm上检测的R6G的SERS信号的光谱图；
图5d是在AuNIS40nm上检测的R6G的SERS信号的光谱图；
图6a是在AuNIS20nm上检测不同位置得到的R6G的SERS信号光谱图；
图6b是在AuNIS20nm上同一位置检测的R6G的SERS信号随检测次数N1的变化关系图；
图6c是在AuNIS20nm上同一位置检测的R6G的SERS信号随AuNIS20nm放置周数N2的变化关系图；
图7是本发明的实施例三的光流芯片的清洗方法的流程图；
图8a是光纤未通光时，在AuNIS20nm上检测到的R6G的SERS信号随清洗时间的变化关系图；
图8b是光纤通光时，在AuNIS20nm上检测到的R6G的SERS信号随清洗时间的变化关系图；
图8c是在AuNIS20nm上R6G的残留率随清洗时间的变化关系图；
图8d是清洗后的AuNIS20nm的信号重复特性曲线图；
图9a是光纤通光时，AuNIS20nm表面在x-y平面上的温度分布图；
图9b是光纤通光时，AuNIS20nm表面在y-z平面上的温度分布图；
图9c是光纤通光时，AuNIS20nm表面周围的液体在x-y平面上的速度分布图；
图9d是光纤通光时，AuNIS20nm表面周围的液体在y-z平面上的速度分布图；
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
如图1所示，根据本发明的实施例一的表面增强拉曼散射的光流芯片包括基底10、微流通道20、金属纳米岛基底30和光纤40。其中，微流通道20设置于基底10中，微流通道20用于容纳待检测溶液；光纤40包括光信号输入端41和激发端42，光信号输入端41用于接入光信号，激发端42设置于所述微流通道20内。金属纳米岛基底30形成于所述激发端42的端面，其中金属纳米岛基底30用于在外部激光的激发下产生表面等离子共振，以吸附待检测溶液中的物质分子。当完成检测后，通过光信号输入端41接入光信号，激发端42在金属纳米岛基底30周围会产生光热涡旋，从而使得粘附在金属纳米岛基底30上的分子被悬浮在微流体中，以便于清洗光流芯片。
下面对光流芯片的各个结构进行更详细的描述。
具体地，所述微流通道20包括相互连通的注入口21、检测端口22和排出口23，所述注入口21用于注入待检测溶液，所述排出口23用于排出待检测溶液，所述检测端口22用于供外部激光穿过，以激发所述金属纳米岛基底30。
作为优选实施例，微流通道20可以通过以下步骤制成：借助于光刻法制造图案化的微流体通道晶片。高度为80μm的图案化通道由多个区域组成，包括两个直径为415μm的大圆形通道和一个直径为225μm的小圆形通道。它们通过宽度为50μm的矩形通道连接。为了获得聚二甲基硅氧烷PDMS微流体通道，将硅弹性体和固化剂以10∶1(v/v)混合并在真空下脱气1小时。然后，将混合物倒在微流体通道晶片上，并在90℃的加热板上于固化30分钟。最后，将固化的PDMS通道自然冷却至室温后，将其小心移除，这样便在基底10中形成了微流通道20。其中，注入口21和排出口23分别位于微流通道的两端，检测端口22位于注入口21和排出口23之间，且三者相互连通。
进一步地，光纤40优选为平端面光纤，利用光纤切割刀将二氧化硅光纤的激发端的端面切割平整，当然光纤40的材料还可以包括其他材料，如氮化硅、蓝宝石、熔点大于600摄氏度的聚合物等，其制备方法还可以为化学腐蚀方法，这些材料和制备方法均为本领域的常见手段，在此不进行赘述。
进一步地，金属纳米岛基底30制备于光纤的平端面，其中金属纳米岛基底30优选地由真空蒸镀在光纤端面的金膜进行退火制得，金属纳米岛基底30的厚度优选为10nm～40nm。当然金属纳米岛基底30的材料还可以选用银、铜等贵金属，但是金制成的纳米岛基底具有更好的稳定性，另外还可以通过激光诱导沉积法、光纤表面刻蚀法或者改变高温退火的条件(如退火温度、时间等)来得到类似的纳米岛状结构，这些材料和基底制备方法均为本领域常见的技术手段，在此不在赘述。
进一步地，所述微流通道20的正对所述检测端口22的位置上设置有通孔，所述激发端42穿过所述通孔。具体地，在制备好的微流通道20上的与检测端口22相对的位置上打出一个微纳米级别的通孔，将光纤40从通孔中穿过，使得激发端42与微流通道20的底部齐平。当然在其他实施方式中，激发端42也可以高于微流通道20的底部，即激发端42位于微流通道20内部。
下面分析表面增强拉曼散射的光流芯片检测待测溶液SERS信号的原理：本发明的金属纳米岛基底30在外部激光的激发下产生等离子体共振，从而增强物质的拉曼信号。拉曼散射是指光波在被散射后频率发生变化的现象，拉曼散射信号是观察分子旋转，振动和其他低频内部运动模式的指纹信号，对于不同的物质由于它分子结构的不同，在相同激发光条件下得到的拉曼光谱图是不同的，我们可以利用拉曼信号对照拉曼光谱，识别并检测物质，但是一般情况下拉曼散射信号十分微弱。另外激光与金属纳米岛基底30的相互作用会产生表面等离子体共振，金属纳米岛基底30的纳米间隙导致表面等离激元耦合，并在纳米间隙中产生高局部电磁场，可以在低功率激发激光的作用下增强吸附在金属纳米结构上的分子的拉曼信号。当被检测物质分子到达贵金属纳米间隙，这时对金属纳米结构基底表面照射一定波长的激发激光，使激光与基底相互作用，产生表面等离子体共振，这样便可以得到增强的拉曼信号，使得原本无法探测到的低浓度溶液的拉曼信号被探测到，以对低浓度溶液进行检测。
本实施例一提供的表面增强拉曼散射的光流芯片，其结构简单，具有较高的重复性、灵敏度和较低的功耗，可以高效和方便的探测SERS信号，并且可以通过主动通光高效清洗重复利用该芯片。本发明公开的表面增强拉曼散射的光流芯片可以作为独立的装置，也可以并入到本领域公认的任何适当的传感检测系统中。在某些实施方式中，基于表面增强拉曼散射的光流芯片可以形成具有多种功能的芯片上的一个元件。
实施例二
如图3所示，根据本发明实施例二，表面增强拉曼散射的光流芯片的检测方法包括如下步骤：
步骤S10：将待测溶液注入至所述微流通道20，并静置预设时长。
具体地，利用注射泵从注入口21注入待检测溶液，使得待检测溶液充满微流通道。静置一分钟以使物质分子完全吸附在金属纳米岛基底30上。其中待检测溶液是包含需要被探测物质的溶液，为了使探测准确度灵敏度更高，建议使用纯净物或者其水溶液作为溶剂，且为使得被探测的物质分子在SERS基底上具有较好的吸附性，示例性地，使用的待检测溶液可以包括罗丹明6G溶液(R6G)，乙醇。
步骤S20：向金属纳米岛基底30发射激光，并通过共聚焦拉曼探测镜头探测金属纳米岛基底30产生的表面增强拉曼散射信号。
具体地，将共聚焦拉曼探测镜头置于金属纳米岛基底30上方，探测镜头向金属纳米岛基底30发生激光，金属纳米岛基底30产生表面增强拉曼散射，得到的拉曼散射信号再通过探头传输到共聚焦拉曼光谱仪。
作为优选实施例，当注入微流通道20的液体是R6G的水溶液时，我们要探测R6G分子，可以选择光功率为400μW/μm2，工作波长为785nm的激光束对准SERS基底。基底的等离子体吸收波长范围很广，选择785nm的激光是因为它可以防止R6G水溶液的荧光激发。在10s曝光时间和2倍积分时间的条件下，通过共聚焦拉曼光谱仪收集SERS信号。在信号检测过程中，为了获得更精确的信号，可以在同一基底上进行了多次检测，并对信号求平均值。
本实施例二中的金属纳米岛基底30优选为金纳米岛基底(Au NanoislandStructure，简称AuNIS)，由于它形貌的不同，所能够获得的SERS信号强度也不同，为了获得最强SERS信号基底的最佳形态，我们通过研究不同形态的金纳米岛基底(AuNIS)对SERS信号的影响，发现20nm厚的金纳米岛基底(AuNIS20nm)SERS信号强度最强。
首先从形貌上分析，我们对厚度为10nm、20nm、30nm和40nm的金膜进行退火，以制造不同厚度的金属纳米岛基底30。
如图4a-d分别显示的是在相同条件下退火制作形成的AuNIS10nm，AuNIS20nm，AuNIS30nm和AuNIS40nm的SEM图像，其中AuNIS10nm，AuNIS20nm，AuNIS30nm和AuNIS40nm分别表示厚度为10nm、20nm、30nm和40nm的金纳米岛基底30，从SEM图像可以明显看出，它们的形态取决于它们的厚度。与图4a中的AuNIS10nm相比，其他厚度的AuNIS具有更窄的纳米间隙。图4b中AuNIS20nm中的纳米间隙数量大于AuNIS30nm和AuNIS40nm中的纳米间隙数量，而AuNIS40nm提供的纳米间隙量最少。可见20nm厚的金纳米岛基底形态更利于获得较强的SERS信号。
进一步从实验分析，20nm厚的金纳米岛形态更利于获得较强的SERS信号。
如图5所示，利用不同厚度金属纳米岛基底对R6G溶液SERS信号进行检测。在优选实施例二中为了证明AuNIS20nm显示出色的拉曼信号强度，我们使用AuNIS10nm，AuNIS20nm，AuNIS30nm和AuNIS40nm作为基底来检测浓度为10-7M至10-13M的R6G水溶液的SERS信号。图5a-d分别是在AuNIS10nm，AuNIS20nm，AuNIS30nm和AuNIS40nm上浓度为10-7M至10-13M的R6G溶液的SERS光谱(本实施例检测时所用激光器功率为400μW/μm2，波长为785nm，检测时曝光时间为10s，积分次数为2倍)。经测量，R6G水溶液在1150cm-1至1550cm-1之间有四个拉曼峰，分别是C-H键的弯曲振动峰(1184cm-1)，N-H键的弯曲振动峰(1311cm-1)和C-C键的拉伸振动峰(1364cm-1和1510cm-1)。此外，这四个AuNIS可以检测到10-13M的最低浓度，这表明这些AuNIS具有很高的灵敏度。然而，对于相同的浓度，它们呈现出不同的拉曼信号强度。可以发现，AuNIS20nm具有更好的信号增强性能。
为了更好地证明20nm厚金纳米岛的敏感性，我们通过理论计算估算了AuNIS底物的拉曼增强因子(EF)。EF可以通过如下公式计算得到：
Figure BDA0002387404180000081
其中，ISERS和IRS分别是来自AuNISs的SERS信号强度和光滑的金膜的拉曼信号的强度，而NSERS和NRS分别表示激发激光照射的分子数量。我们假设AuNISs附近的R6G分子的体积都对拉曼信号有贡献，因此公式(1)可以简化为：
Figure BDA0002387404180000082
其中cSERS和cRS分别是SERS检测和拉曼检测中R6G溶液的浓度。首先，在与检测SERS信号相同的条件下，我们在光滑的厚度为10nm，20nm，30nm和40nm的金膜表面上检测了浓度为10-2MR6G分子的拉曼信号。在SERS峰1364cm-1处，AuNIS10nm，AuNIS20nm，AuNIS30nm和AuNIS40nm的EF分别为8.2×105、2.9×106、2.1×106和9.8×105。结果表明，AuNIS20nm表现出明显的最高SERS强度。
进一步地，为了验证本实施例二的光流芯片的SERS检测的稳定性，通过重复步骤S10至步骤S20并且改变在基底上的测量位置或者将基底暴露在空气中数周后再次测量，得到可重复的SERS信号。
如图6a-c所示，利用AuNIS20nm对R6G溶液SERS信号进行稳定性检测。我们研究了AuNIS20nm基底在不同位置和不同放置时间条件下的SERS信号强度。以浓度为10-11M的R6G溶液为待测溶液。首先我们随机选择AuNIS20nm上的三个位置(P1，P2，P3，)，对其进行SERS信号检测。如图6a所显示的上述三个位置的SERS信号强度相似。在1311cm-1处的强度的相对标准偏差(RDS)为0.32％，这表明AuNIS20nm的表面是均匀的。如图6b所显示的是在AuNIS20nm的相同位置多次(N1)检测到的R6G溶液的SERS信号强度。据测量，在1184、1311、1364和1510cm-1处拉曼峰的SERS信号强度的RDS分别为6.9％，1.3％，0.07％和1.2％，这表明AuNIS20nm非常稳定。为了进一步探测AuNIS20nm的稳定性，我们将AuNIS20nm暴露在空气中5周，并以1周的时间为间隔(N2)获得的SERS光谱图，如图6c所示。可以看出，在1184、1311、1364和1510cm-1处的强度的RDS分别为9.0％，3.0％，2.8％和3.1％。结果表明，检测激光和外部环境对基底的结构和形态的影响可以忽略不计。从这个意义上讲，基底的结构是稳定的。
实施例三
如图7所示，根据本发明实施例三的表面增强拉曼散射的光流芯片的清洗方法包括如下步骤：
步骤S100：在所述微流通道20中通入去离子水，且使得去离子水淹没所述金属纳米岛基底。
具体地，利用注射泵从入口注入去离子水，将检测过后通道内存在的剩余的溶液带出通道，在芯片工作在清洗状态时，清洗用的液体为去离子水。
步骤S200：在所述光信号输入端41中接入光信号，经过预定时长后关闭光信号，并去除所述微流通道20中的去离子水。
具体地，光纤40通光，由于金属纳米岛基底30具有良好的光热效应，在金属纳米岛基底30上会产热，使其周围中的液体产生对流和光热涡旋，带走吸附在金属纳米岛基底30上的分子，达到高效清洗效果。同时在注入口21处不断注入去离子水，以带动清洗下来的分子通过排出口23排出。作为优选实施例，清洗时间的预定时长为2.2分钟至6分钟。
作为优选实施例，当以R6G溶液作为被探测溶液时，可以在光纤40中发射10mW的785nm激光束，在清洗时间为2.2分钟时，金属纳米岛基底30基本清洗干净，比光纤40未通光时清洗干净所需的5.1分钟提高了两倍多。当清洗时间为8分钟时，可以将基底彻底清洗干净，以实现重复利用的目的。
步骤S300：清洗完成后，将光流芯片放入真空干燥箱进行干燥。
首先分析光流芯片的自清洁原理：由于完成对SERS信号的检测后，大量物质分子被吸附在基底上，本发明通过将激光发射到光纤40中，由于金属纳米岛基底30良好的光热效应，金属纳米岛基底30表面温度将会上升，液体中的温度梯度使得液体产生浮力对流。从而产生多个光热涡旋，加速了液体的流动。因此，吸附在基底上的分子将被迅速带走，这可以大大提高清洁效率和清洁度。浮力对流的速度分布由金纳米岛温度、室温和液体内部的浮力密度协同确定。通过仿真模拟发现，对应于温度分布，浮力对流的特征是一种3D环形内部流，垂直并向远离金纳米岛流动。所以，浮力对流加速了液体在各个方向上的流动，使得吸附在光纤基板上的分子更快地逸出。因此，将激光发射到光纤中有助于提高金纳米岛基板的清洁效率和可重复性。优选地，考虑到过高功率会对SERS基底产生损伤和节能环保同时兼顾清洗效率，清洗过程光纤中的激光波长可以选用785nm，功率为10mW。
进一步地，下面从实验角度，来对本实施例三的光流芯片的清洁方法进行详细论述。
如图8a和图8b所示，在检测到R6G溶液(10-10M)的SERS信号后，对探测后的光纤SERS基底进行清洗。首先，如图8a所示的是我们以10μL/s的速度将去离子水注入微流控芯片中后，每分钟在光纤基底上收集到的SERS信号。可以看出，随着时间的增加，SERS信号不断减弱，即通道中的R6G分子不断减少。然而，这种方法难以快速洗去粘附在基底上的R6G分子。因此，我们提出了本实施例三的清洁方法。与传统清洗方法的第一步相似，在检测到R6G溶液(10-10M)的SERS信号后，以10μL/s的速度将去离子水首先注入进微流通道20。与上述方法不同的是，该光纤400同时发射了10mW的785nm激光。如图8b所显示的是通光清洗后光纤基底上SERS信号随时间的变化。据测量，随着清洁时间的增加，SERS信号迅速减小。
如图8c中所示，我们对比了当激光发射到光纤中或不发射到光纤中时，光纤基底的R6G残留率与清洁时间的关系。残留率定义为基底清洗后的SERS信号强度与未经清洗的SERS信号强度之比。显然可以观察到，在打开激光的情况下，可以更快地清洁光纤基底。我们定义当残留率为20％时，基底基本清洁干净。从图8c可以看到，在打开激光的情况下基底清洁干净的时间为2.2分钟，其清洁速度是在关闭激光的情况下基底基本清洁干净的时间(5.1分钟)的两倍。
如图8d显示的是清洁的SERS基底的信号恢复性能。在清洁完成8分钟后，使用清洁过的光纤基底再次检测R6G溶液(10-10M)，然后再次用激光清洁基底。之后再在16分钟后再次用光纤传感芯片检测R6G溶液(10-10M)的SERS信号。可以看出，两次清洗后的基底检测到的信号强度几乎与之前的检测到的R6G溶液强度(10-10M)相同。可见，我们的基底具有良好的可重复使用性。
进一步地，下面从理论仿真角度，来对本实施例三的光流芯片的清洁方法进行详细论述。
可以使用COMSOL Multiphysics5.1基于有限元方法对20nm厚金属纳米岛基底(AuNIS20nm)的温度和芯片中液体的流动进行数值模拟。通过将785nm激光发射到光纤中，由于AuNIS20nm的良好光热效应，AuNIS20nm表面的温度将上升，从而导致液体中产生浮力对流。浮力对流的速度分布v由AuNIS20nm的温度Tm，室温T0和液体内部的浮力密度Fb协同确定，液体内部的浮力密度Fb可由如下公式计算：
Fb＝ρgβT[T(r)-T0] (3)
其中ρ是液体密度，g是重力加速度，βT是液体的热膨胀系数，T(r)是液体温度。
图9a和图9b是对AuNIS20nm的温度分布进行数值模拟。图9a显示的是将功率为10mW的785nm激光器发射到光纤中时，AuNIS20nm在x-y平面上的温度分布，插图显示温度沿x轴距AuNIS20nm中心距离d的函数。图9b显示的是AuNIS20nm在y-z平面上的温度分布。温度沿x和y轴从AuNIS20nm中心(Tm＝310K)到芯片边界(T0＝293K)消散，沿z轴从基底表面(Tm＝310K)到传感器芯片顶部(T0＝293K)消散。
图9c和图9d是对传感器芯片中周围液体的流动进行数值模拟。图9c所示的是在AuNIS20nm上x-y平面的液体流动速度分布。图9d显示的是在AuNIS20nm上y-z平面的液体流动速度分布。可以看出浮力对流是一种3D环形内部流，垂直流向基底，并远离基底。因此，浮力对流加速了液体在3D方向上的流动，使得吸附在光纤基底上的R6G分子更快地逸出。因此，将激光发射到光纤中有助于提高AuNIS20nm基底的清洁效率和可重复性。
上面对本发明的具体实施方式进行了详细描述，虽然已表示和描述了一些实施例，但本领域技术人员应该理解，在不脱离由权利要求及其等同物限定其范围的本发明的原理和精神的情况下，可以对这些实施例进行修改和完善，这些修改和完善也应在本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种表面增强拉曼散射的光流芯片，其特征在于，所述光流芯片包括：
基底(10)；
微流通道(20)，设置于所述基底(10)中，所述微流通道(20)用于容纳待检测溶液；
光纤(40)，包括光信号输入端(41)和激发端(42)，所述光信号输入端(41)用于接入光信号，所述激发端(42)设置于所述微流通道(20)内；
金属纳米岛基底(30)，形成于所述激发端(42)的端面，所述金属纳米岛基底(30)用于在外部激光的激发下产生表面等离子共振以及用于吸附待检测溶液中的物质分子；
所述微流通道(20)包括相互连通的注入口(21)、检测端口(22)和排出口(23)，所述注入口(21)用于注入待检测溶液，所述排出口(23)用于排出待检测溶液，所述检测端口(22)用于供外部激光穿过，以激发所述金属纳米岛基底(30)，所述微流通道(20)的正对所述检测端口(22)的位置上设置有通孔，所述激发端(42)穿过所述通孔。
2.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射的光流芯片，其特征在于，所述金属纳米岛基底(30)的厚度为10nm～40nm。
3.根据权利要求1所述的表面增强拉曼散射的光流芯片，其特征在于，所述金属纳米岛基底(30)的材料为金、银、铜中的任意一种。
4.一种如权利要求1至3任一项所述的表面增强拉曼散射的光流芯片的清洗方法，其特征在于，所述清洗方法包括：
在所述微流通道(20)中通入去离子水，且使得去离子水淹没所述金属纳米岛基底；
在所述光信号输入端(41)中接入光信号，经过预定时长后关闭光信号，并去除所述微流通道(20)中的去离子水。
5.根据权利要求4所述的清洗方法，其特征在于，所述清洗方法还包括：
清洗完成后，将光流芯片放入真空干燥箱进行干燥。
6.根据权利要求4所述的清洗方法，其特征在于，所述光信号的波长范围为500nm～800nm，功率范围为10mW～100mW。
7.根据权利要求4所述的清洗方法，其特征在于，所述预定时长的范围为2.2分钟至6分钟。
8.一种如权利要求1至3任一项所述的表面增强拉曼散射的光流芯片的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：
将待测溶液注入至所述微流通道(20)，并静置预设时长；
向金属纳米岛基底(30)发射激光，并通过共聚焦拉曼探测镜头探测金属纳米岛基底(30)产生的表面增强拉曼散射信号。
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