CN114166823A - 基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片及其检测方法。该微流芯片包括：基底，具有微流通道，微流通道用于容纳混合溶液，混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；激发光纤，包括光信号输入端和光热激发端，光热激发端包括光纤端面和光热膜层，光热膜层设置于光纤端面的光热膜层，光热激发端位于微流通道中，光信号输入端用于接入光信号，以使光热激发端在混合溶液中产生光热效应，以将贵金属纳米粒子和待测物颗粒共同聚集在光热膜层上形成粒子聚集体，粒子聚集体用于在外部激光的激发下产生拉曼信号。这样可实现微流芯片的重复利用，具有较高灵活性，且制作成本低。

Description

基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片及其检测方法

技术领域

本发明属于微粒操纵检测技术领域，具体地讲，涉及一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片及其检测方法。

背景技术

表面增强拉曼散射(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SERS基底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/结构来形成的。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。

与此同时，光纤端面实验室(Lab On Fiber Tip)不断发展起来解决了这个问题，它是通过在光纤端面修饰不同结构来实现光传感的一种新型应用，具有光衰减小，传感有效面积小，光学调整自由，不受电磁场干扰，容易与其他设备灵活耦合的优点。在生物化学SERS检测领域快速发展。随着它的发展，SERS检测设备的集成化大大提高了。但是也有了新的问题，这种光纤端面实验室需要精密仪器，高成本制作周期长，一旦做成表面结构就无法改动，降低了实用性和灵活性。

因此，如何实现低成本，灵活且快速地在光纤端面制作SERS基底、构造光纤实验室，并能对低浓度溶液可重复的检测，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：如何实现低成本，灵活且快速地在光纤端面制作SERS基底、构造光纤实验室，并能对低浓度溶液可重复的检测。

(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：

一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片，所述微流芯片包括：

基底，具有微流通道，所述微流通道用于容纳混合溶液，所述混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；

激发光纤，包括光信号输入端和光热激发端，所述光热激发端包括光纤端面和光热膜层，所述光热膜层设置于所述光纤端面的光热膜层，所述光热激发端位于所述微流通道中，所述光信号输入端用于接入光信号，以使所述光热激发端在所述混合溶液中产生光热效应，以将所述贵金属纳米粒子和所述待测物颗粒共同聚集在所述光热膜层上形成粒子聚集体，所述粒子聚集体用于在外部激光的激发下产生拉曼信号。

优选地，所述微流通道包括第一输入槽、第二输入槽和混合槽，所述第一输入槽、所述第二输入槽分别与所述混合槽连通，所述第一输入槽用于注入贵金属纳米粒子溶液，所述第二输入槽用于注入待测物颗粒溶液，所述贵金属纳米粒子溶液和所述待测物颗粒溶液共同在所述混合槽中形成所述混合溶液，所述光热激发端设置于所述混合槽中。

优选地，所述微流通道还包括排出槽，所述排出槽与所述混合槽连通，且所述排出槽用于排出混合溶液。

优选地，所述光热膜层的材料为金属材料或氧化石墨烯。

优选地，所述光热膜层的厚度范围为5nm～40nm，所述光信号的功率为5mW～300mW。

优选地，所述激发光纤垂直穿过所述混合槽的底部且所述激发光纤固定于所述基底上，所述光信号输入端位于所述混合槽之外。

优选地，所述激发光纤可活动地穿过所述基底的底部，所述光热激发端的光纤端面可相对于所述微流通道的底部移动，所述光信号输入端位于所述微流通道之外。

本申请还公开了一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的检测方法，所述检测方法包括：

向所述微流通道中注入混合溶液，所述混合溶液混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；

向所述光信号输入端输入预定功率的光信号，所述光热激发端在所述混合溶液中产生光热效应以将所述贵金属纳米粒子和所述待测物颗粒共同聚集在所述光热膜层上形成粒子聚集体；

经过预定时间后，排出所述微流通道中的部分液体，和/或，移动所述光热激发端，以使所述粒子聚集体位于所述混合溶液的液面之上；

停止向所述光信号输入端输入光信号，利用外部激光对所述粒子聚集体进行激发，以产生拉曼信号，并探测所述拉曼散射信号。

优选地，在探测所述拉曼信号之后，所述检测方法还包括：

排出所述微流通道中的剩余溶液；

向所述微流通道通入清洗溶液，利用清洗溶液冲洗所述光热激发端，以使所述粒子聚集体从所述光热膜层上脱离；

冲洗完成之后对所述微流芯片进行烘干处理。

优选地，所述待测物颗粒为抗生素、有机污染物中的任意一种，所述经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子为表面包覆CTAB的金纳米双锥、表面包覆CTAC的金纳米球、表面包覆CTAB的金纳米棒中的任意一种。

(三)有益效果

本发明公开了一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片及其检测方法，与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)制作方法简便易行，成本低廉，且易于集成。相比于传统的SERS检测仪器和方法，本发明通过将贵金属纳米粒子组装于镀金光纤端面形成SERS热点，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。比用制作于体积庞大的玻片、硅片上的SERS基底更加合适集成，扩大了该芯片的应用范围。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。本发明所使用的端面镀金光纤通过将金真空蒸镀到光纤端面得到金纳米薄膜。蒸镀材料包括金，可推广到其他贵金属材料及可以产生光热效应的物质，如银、铜、石墨烯及其交替蒸镀等。本发明所使用贵金属纳米粒子由化学法合成，可以推广到各类形状的贵金属纳米粒子，如金纳米棒或银纳米球等。

(2)具有灵活性和可循环利用性。相比于传统的SERS基底，本发明利用的是镀金光纤端面的光热效应，通过控制光纤的通光与否，来实现光开关控制金纳米颗粒的聚散，间接控制SERS信号的有无，且所用光纤体积小，易弯折，便于集成，增加了SERS检测的灵活性。而且，由于该聚集贵金属纳米粒子的方法是可逆的，在不使用时，可以通过关光使纳米粒子散开回到溶液中，随着液体流动被带走，以洗净光纤端面，提高了SERS基底的可重复性，使光纤和贵金属纳米粒子都可以循环利用。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，增强了SERS在化学，生物医学和环境保护等领域的应用。

(3)具有比较好的检测灵敏度。相较于传统SERS检测装置，本发明在增加了SERS检测灵活性和集成性的同时，也保持了较好的SERS检测灵敏度。通过光热效应聚集的纳米粒子簇，相较于没有聚集的纳米粒子有更强的SERS信号，对有机污染物检测也有不错的效果，对罗丹明6G和芘溶液的最低检测浓度，分别可以到10^-10M和10^-7M，满足环境检测需要，且在多次测量中保持了很好的拉曼峰位稳定性和拉曼峰值稳定性。

附图说明

图1是本发明的实施例一的基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的结构示意图；

图2是本发明的实施例一的基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的微流通道的二维俯视图；

图3是本发明的实施例二的基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的检测方法的流程图；

图4a是本发明的光纤端面金纳米双锥和待测物质的聚集和散开的过程示意图；

图4b是本发明的光纤端面聚集金纳米双锥和待测物质聚集和散开的过程的光学显微镜图；

图5a是本发明实施例二用到的金纳米双锥的透射电子显微镜图；

图5b是本发明实施例二用到的切平光纤端面的扫描电子显微镜图；

图5c是本发明实施例二用到的金纳米双锥溶液的吸收光谱图；

图6a是金纳米双锥在光纤端面自组装的原理示意图；

图6b是在300s内，金纳米双锥在端面镀金光纤端面自组装的切面光学显微镜图；

图7a是金纳米双锥在光纤端面聚集形成的聚集体半径和聚集时间的关系图；

图7b是不同功率下金纳米双锥聚集速率和功率之间的关系图；

图8a是三个金纳米双锥形成的金纳米双锥簇在镀金光纤上聚集堆叠的示意图；

图8b是在785nm激光照射下，在x-z平面上金纳米双锥簇在镀金光纤端面的电场分布图；

图8c是在785nm激光照射下，在x-y平面上金纳米双锥簇在镀金光纤端面的电场分布图；

图8d是在785nm激光照射下，在y-z平面上金纳米双锥簇在镀金光纤端面的电场分布图；

图9a是在光纤端面不同位置检测芘溶液的SERS信号光谱图；

图9b是金纳米双锥聚集和不聚集时，检测R6G溶液的SERS信号光谱图；

图9c是在光纤端面溶液蒸干过程中，检测R6G溶液SERS信号随着时间变化而变化的光谱图；

图9d是在光纤端面溶液蒸干过程中，检测R6G溶液在1364cm^-1和1512cm^-1处SERS信号强度随时间变化的柱状图；

图10a是芯片检测不同浓度R6G溶液的SERS信号光谱图；

图10b是芯片检测R6G溶液，在1364cm^-1和1512cm^-1处R6G溶液浓度的Log函数和SERS强度的Log函数呈线性关系示意图。

图10c是芯片15次重复检测R6G溶液过程中，1364cm^-1和1512cm^-1附近拉曼峰位置分布均值柱状图和两处拉曼峰位置分布直方图；

图10d是芯片20次重复检测R6G溶液过程中，1364cm^-1和1512cm^-1处拉曼峰强度分布图；

图11a是在检测完成后，关光冲洗芯片得到的1364cm^-1处拉曼峰强度随时间改变的关系图；

图11b是在5次检测R6G溶液周期中，1364cm^-1处拉曼峰强度变化图；

图12a是芯片检测固体芘的SERS信号光谱图；

图12b是芯片检测不同浓度芘溶液的SERS信号光谱图；

图12c是芯片检测芘溶液，在1243cm^-1和1409cm^-1处R6G溶液浓度的Log函数和SERS信号强度的Log函数呈线性关系示意图。

图12d是芯片15次重复检测芘溶液过程中，1243cm^-1和1409cm^-1附近拉曼峰位置分布均值柱状图和两处拉曼峰位置分布直方图；

图13是利用100nm金纳米球，金纳米双锥和金纳米棒三种不同形状的纳米粒子，对浓度为10^-5M的R6G溶液检测拉曼光谱图。

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。

在详细描述本申请的各个实施例之前，首先简单描述本申请的发明构思：现有技术中的光纤端面实验室，表面结构形成之后就无法改动，降低了实用性和灵活性，不能重复利用，且制作成本高、周期长。为此，本申请提供了一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片，在基底上形成用于容纳混合溶液的微流通道，将激发光纤的光热激发端设置在微流通道中，当激发光纤的光信号输入端接入光信号时，光热激发端产生光热效应，将混合溶液中的贵金属纳米粒子和待测物颗粒共同聚集在光热激发端上形成粒子聚集体，粒子聚集体可在外部激光的激发下产生拉曼信号，当断开光信号时，粒子聚集体会重新散开在溶液中，这样可实现微流芯片的重复利用，具有较高灵活性，且制作成本低。

实施例一

如图1所示，根据本发明实施例一的基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片包括基底10和激发光纤30。基底10具有微流通道20，微流通道20用于容纳混合溶液，混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；激发光纤30包括光信号输入端31和光热激发端32，光热激发端32包括光纤端面和光热膜层，光热膜层设置于所述光纤端面的光热膜层，光热激发端32位于微流通道20中，光信号输入端31用于接入光信号，以使光热激发端32在混合溶液中产生光热效应，以将贵金属纳米粒子和待测物颗粒共同聚集在光热膜层上形成粒子聚集体，粒子聚集体用于在外部激光的激发下产生拉曼信号。

示例性地，激发光纤30优选地由光纤切割刀将二氧化硅光纤端面切割平整，当然激发光纤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。光热膜层的材料为金属材料或氧化石墨烯。光热膜层可采用金膜，其中金膜优选地由真空蒸镀在光纤端面制得。当然光热膜层的材料还可以选用银、铜等贵金属或能产生光热效应材料，如石墨烯等，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。本实施例的光热膜层的厚度范围为5nm～40nm。

示例性地，微流通道20包括第一输入槽21、第二输入槽22、混合槽24和排出槽23，第一输入槽21、第二输入槽22分别与混合槽24连通，第一输入槽21用于注入贵金属纳米粒子溶液，第二输入槽22用于注入待测物颗粒溶液，贵金属纳米粒子溶液和待测物颗粒溶液共同在混合槽24中形成所述混合溶液，光热激发端32设置于混合槽24中；排出槽23与混合槽24连通，且排出槽23用于排出混合溶液。

示例性地，如图2所示，微流通道20优选地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100μm的图案化微流通道由多个区域组成，包括三个直径为1mm的大圆柱形槽体(分别为第一输入槽21、第二输入槽22、排出槽23)和一个直径为0.6mm的小圆柱形槽体(混合槽24)。它们通过宽度为100μm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，将混合物倒在晶片上，并在加热板上于90℃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。

进一步地，第一输入槽21、第二输入槽22位于通道的一侧，第一输入槽21、第二输入槽22都用于与外界的注射泵相互连接，利用注射泵分别注入待测颗粒物溶液和贵金属纳米粒子溶液，使它们在通道中混合并充满通道。微流通道的排出槽23在微流通道的另一侧，微流体通过排出槽23流出通道。示例性地，待测颗粒物溶液是包含被探测物质分子的各类溶液，为了使探测准确度灵敏度更高，作为优选实施例，微流体建议使用纯净物或者其水溶液，且被探测的物质分子在贵金属纳米粒子上具有较好的吸附性。示例性地，可以使用的微流体包括罗丹明6G溶液，乙醇。示例性地，贵金属纳米粒子溶液中包含经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子，贵金属纳米粒子是在热泳效应中可以由冷端移动到热端且聚集时可以形成表面增强拉曼散射热点的各类纳米粒子，为了提高表面增强拉曼散射响应和纳米粒子聚集速度。作为优选实施例，贵金属纳米粒子溶液建议使用表面带正电的金纳米粒子溶液，可以采用化学法合成，示例性的，如表面包覆CTAB的金纳米双锥溶液、表面包覆CTAB的金纳米棒溶液等，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，微流通道的中间部分的混合槽24为开放的微型腔室，探测时将共聚焦拉曼光谱仪探头放置于其正上方，制作时在混合槽24底部打孔，然后将光热激发端32垂直穿过小孔并固定，当通道注入微流体之后，光热激发端32的端面需要完全浸没在微流体中。当然在其他实施方式中，激发光纤30还可以活动地穿过基底10的底部，这样便于调节光热激发端32的光纤端面与微流通道20的底部间的距离，可使得光热激发端32浸没于溶液中或伸出于溶液外。

进一步地，微流芯片在探测状态时，光信号输入端31作为控制纳米粒子聚散的开关，通过控制光信号输入端是否接入光信号，来控制光热激发端32是否产生光热效应控制金膜温度，以此来激发纳米粒子的热泳运动也就是纳米粒子的聚集，使表面增强拉曼散射热点发生改变，从而通过控制光来间接影响检测到的表面增强拉曼散射信号。探测完成后，光信号输入端31断开光信号，聚集在光热激发端的粒子聚集体会在溶液中散开，通过注射泵从第一输入槽21、第二输入槽22注入去离子水，以带动混合槽24中的溶液流出排出槽23，从而实现清洗芯片。本实施例一的光信号的功率范围为5mW～300mW。

下面分析微流芯片检测待测溶液表面增强拉曼散射信号的原理：

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。由于激发激光与金属纳米结构的相互作用产生的表面等离振子共振，纳米间隙会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。

实施例一优选地通过在光纤端面镀金，光纤中通入激光，使光纤纤芯部位的金膜在激光的照射下产生光热效应，光纤端面温度迅速升高，由于光纤端面浸没在溶液中，光纤端面产生的光热效应会使溶液温度分布不均，靠近光纤纤芯部分温度高，远端温度低，产生温度梯度，从而使溶液中的金纳米粒子在热泳的驱动下，向着温度高的光纤纤芯部分运动，并聚集在光纤纤芯部位形成金纳米簇。所形成的金纳米簇具有丰富的表面增强拉曼散射热点，这时我们可以利用共聚焦拉曼光谱仪对聚集光纤纤芯金纳米粒子聚集的部位进行检测，即可得到表面增强拉曼散射信号，且表面增强拉曼散射信号强度会随着聚集来的金纳米粒子变多而变强，因为其具有更多的纳米间隙，所以可以提供更多的热点。进一步地，当表面增强拉曼散射检测完成后，断开光纤中的激光，由于光热效应的消失，使热泳现象逐渐减弱，聚集在光纤端面的金纳米粒子散开，同时由于纳米粒子表面带有同种电荷，静电力的作用也会加速这一过程，在清洗后，可以使芯片可以重复使用。

本实施例一提供的基于光热效应的表面增强拉曼散射检测微流芯片，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表面增强拉曼散射信号，并且可以通过主动控制通入光纤的光信号有无，来控制光纤端面纳米粒子的聚散，达到光开关的效果，使芯片灵活性和可重复使用性大大提高。本发明公开的基于光热效应的表面增强拉曼散射检测微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，基于光热效应的表面增强拉曼散射检测微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，本实施例二提供的基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的检测方法包括如下步骤：

步骤S10：向微流通道20中注入混合溶液，混合溶液混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；

步骤S20：向光信号输入端31输入预定功率的光信号，光热激发端32在混合溶液中产生光热效应以将贵金属纳米粒子和待测物颗粒共同聚集在光热膜层上形成粒子聚集体；

步骤S30：经过预定时间后，排出微流通道20中的部分液体，和/或，移动所述光热激发端32，以使粒子聚集体位于混合溶液的液面之上；

步骤S40：停止向光信号输入端31输入光信号，利用外部激光对粒子聚集体进行激发，以产生拉曼信号，并探测拉曼散射信号。

在步骤S10中，具体地，利用注射泵从分别从第一输入槽21、第二输入槽22注入待测物颗粒溶液和贵金属纳米粒子溶液。为了使探测准确度灵敏度更高，两种溶液的溶剂建议使用纯净物或者其水溶液，且待测物颗粒与贵金属纳米粒子具有较好的吸附性。作为优选实施例，本实施例使用的待测颗粒溶液包括罗丹明6G(R6G)溶液和芘溶液。示例性地，等离子体纳米溶液中包含的纳米粒子在热泳效应中可以由冷端移动到热端，并且溶液中微粒聚集时可以形成表面增强拉曼散射热点，为了提高表面增强拉曼散射响应和纳米粒子聚集速度，作为优选实施例，贵金属纳米粒子溶液选用表面包覆CTAB的金纳米双锥溶液。

在步骤S20中，当激光发射到光纤中，激光照射到光纤端面的金膜部位，产生光热效应，在溶液中产生温度梯度，金纳米双锥在热泳的驱使下聚集到光纤端面，作为优选实施例，选用激光波长应该远离金纳米粒子的共振波长，且太高激光功率会损害光热激发端上的金膜，且由于我们使用的是通信光纤，因此可以选用波长为1550nm，功率为50mw的激发光。

在步骤30和步骤S40中，预定时间优选为5分钟，在粒子聚集体聚集完成后，从微流通道中抽出部分液体，使光纤端面漏出水面，静置30秒左右，之后断开激发光纤中的光信号，这样可以减少由于液体反射和吸收而损失的光信号，使检测到的表面增强拉曼散射信号更强。之后共聚焦拉曼光谱仪的激光束从探头射出，到达粒子聚集体，产生表面增强拉曼散射信号，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，可以选择光功率为400μW/μm2，工作波长为785nm的激光束对准粒子聚集体。粒子聚集体吸收波长范围很广，选择785nm的激光是因为它可以防止R6G溶液和芘溶液荧光激发。在1s曝光时间和10倍积分时间的条件下，通过共聚焦拉曼光谱仪收集表面增强拉曼散射信号。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。

进一步地，检测方法还包括步骤S50：对微流芯片进行清洁处理。具体包括：排出微流通道20中的剩余溶液，向微流通道20通入清洗溶液，利用清洗溶液冲洗光热激发端32，以使粒子聚集体从光热膜层上脱离，冲洗完成之后对微流芯片进行烘干处理。示例性地，当检测完成后，通入去离子水，使光纤端面重新浸没在溶液中，，光纤端面的粒子聚集体会重新散开，此时还需要继续通入去离子水，去除部分黏附在光纤端面的粒子聚集体，达到快速清洁芯片的效果，最后进行烘干处理，使其可以重复使用。

示例性地，本实施例二的检测方法中的经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子采用金纳米双锥。综合实验现象和理论依据，对金纳米双锥自组装过程进行探究。

如图4所示，表现了实验中金纳米双锥自组装的整个过程，其中图4a是光纤端面金纳米双锥和待测物质的聚集和散开的过程示意图；图4b是本发明的光纤端面聚集金纳米双锥和待测物质聚集和散开的过程的光学显微镜图。

如图5所示，对实验所用到的纳米粒子和光纤进行表征。图5a是实验所用到的金纳米双锥的TEM图像，可见其是对称的双锥结构，长轴长约为90nm，短轴长约为35nm，且其表面包覆有CTAB，带正电；图5b是实验所用切平光纤端面的SEM图像；图5c是实验用到的金纳米双锥的吸收光谱图，可以看到实验用的金纳米双锥吸收峰在780nm左右。

如图6所示，对金纳米双锥在光纤端面自组装原理进行探究。图6a是光纤端面金纳米双锥自组装原理示意图，可以从图中看到，光纤纤芯部位由于金膜被激光照射，产生光热效应，从而使溶液中产生温度梯度，导致溶液中的金纳米双锥粒子向光纤纤芯部分移动。在这个过程之中，金纳米双锥粒子受到如图6a所示的几个力的影响，其中将金纳米双锥粒子推离光纤纤芯部分的力有由径向瑞利-贝纳德纵对流导致的阻力，和带正电金纳米粒子间的静电斥力；将金纳米双锥粒子推向光纤纤芯部位的包括热泳力和瑞利-贝纳德对流产生的推力。光学力包括光梯度力和散射力，在本实验中十分微弱，可以忽略不计。图6b是300s内，金纳米双锥在光纤端面的聚集实验示意图，可以看出金纳米双锥聚在光纤的纤芯部分，并且随着时间的推移，在光纤端面越聚越多。

如图7所示，对光纤端面自组装过程的实验影响因素进行探究。图7a是金纳米双锥在光纤端面聚集形成的聚集体半径和聚集时间的关系图，可以发现光纤端面金纳米簇的聚集区域半径与聚集时间呈很好的线性关系。图7b是不同功率下金纳米双锥聚集速率的变化关系图，选择了5处不同的粒子聚集体取他们的平均速度进行研究，可以看出光纤附近粒子聚集体的移动速率与激光功率呈很好的线性关系。同时值得注意的是，当激光功率过大时，光纤端面的金膜会被破坏，同时由于温度过高，光纤端面会产生微泡，扰乱纳米粒子的聚集，这是不利现象，应该被避免。

进一步地，由以上分析可知若要使金纳米双锥粒子自发聚集在光纤纤芯，热泳力起到了十分关键的作用，它是产生纳米粒子自聚集现象的主要原因，下面对热泳现象进行理论分析。

热泳是由于热电效应而引起的。溶液中温度分布不均导致溶液中电荷分布不均，从而使溶液中产生局域电场，推动溶液中的带电粒子定向移动。我们实验中使用的是CTAB包覆的金纳米双锥粒子溶液，溶液中混有许多带正电的CTAB胶粒，带电粒子在热泳过程中的速度可以用公式(1)求出：

其中D_T是热扩散系数，T表示温度，从公式(1)可以看出，纳米粒子的运动方向由D_T的符号决定，当D_T为正时粒子从热端移动至冷端，当D_T为负时粒子从冷端移动至热端。D_T可以由公式(2)计算：

在公式(2)中，η，Λ₁，Λ₂分别是水的粘度，水的热导率和纳米粒子的热导率。r是距离粒子表面的距离，h(r)是固液界面的焓增量，考虑到胶体粒子的滑移速度和边界条件，h(r)可以表示为公式(3)：

h(r)＝1/2(ε+Tδε/δT)E²(r) (3)

同时其中的电场可以表示为公式(4)：

E(r)＝κζe^-κr (4)

其中К^-1是德拜长度，ε表示溶液的介电常数，ζ表示Zeta电势。将公式(3)和公式(4)代入，可以将D_T的计算公式写成公式(5)：

从公式(5)中可以看出，D_T的符号与Zeta常数无关，完全取决于公式的最后一项，也就是介电常数随温度的变化率的大小，而在本实验中，在室温条件下，由于溶液中的CTAB胶粒带有正电，在双电层的影响下，所以最后一项为负数，CTAB胶粒附近的D_T就是正数，即胶粒朝着远离光纤的远端移动，且CTAB的热扩散系数大于金纳米粒子的热扩散系数，CTAB胶粒快速移动至远端的冷区，在溶液中形成电场，驱使带正电的金纳米双锥粒子向热区移动，从而达到聚集的效果。

进一步地，从实验和理论上对光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片检测性能进行探究。首先利用FDTD仿真，对微流芯片的表面增强拉曼散射检测性能进行理论上的探究。

如图8所示，模拟镀金光纤端面上的三个金纳米双锥组成的聚集体在激光照射下的光场FDTD仿真图。图8a是仿真的结构示意图，圆形的光纤上有一层20nm厚的金膜，金膜上如图放置了三个金纳米双锥，金纳米双锥之间距离及金纳米双锥和金膜之间的距离由于静电斥力都设置为3nm，金纳米双锥的形状和尺寸按图5a所示构造。图8b～d，依次是结构在X-Z平面，X-Y平面和Y-Z平面的电场示意图，在785nm激光垂直照射下，镀金光纤端面和金纳米双锥之间，两个相邻金纳米双锥之间都显示出了很强的电场，其中电场最强的点出现在金纳米双锥两个锥角之间，其局域电场E和入射电场E₀之比为|E/E₀|＝205，由理论公式(6)可以计算出拉曼增强因子I：

(6)I＝|E\E₀|⁴

可以计算得到，所示结构拉曼增强因子约为I≈1.77×10⁹，具有很强的热点，而且可以看出，当聚集的金纳米双锥越多，金纳米簇中的热点也就越多，完全满足表面增强拉曼散射检测的需求。

如图9所示，在不同条件下芯片检测同种物质的拉曼信号对比。图9a是当金纳米粒子聚集后，在光纤端面纤芯处和纤芯之外的涂覆层处的表面增强拉曼散射信号对比，所用到检测溶液是10^-3M芘溶液。结果表明光纤纤芯部分的表面增强拉曼散射强度明显强于其他部分，因为那里的金纳米粒子聚集的更加密集。图9b显示的是金纳米粒子是否聚集对表面增强拉曼散射信号的影响，所用到检测溶液是10^-5M R6G溶液，检测都在溶液基本变干后进行，可以看出，聚集后的金纳米粒子由于具有更多的热点，且纳米粒子间距更加近，显示出更强的表面增强拉曼散射信号。为了进一步探究检测灵敏度的影响因素，如图9c和图9d所示，我们探究了在光纤端面溶液完全蒸干的300s过程中，其上表面增强拉曼散射信号的变化，所用到检测溶液是10^-5M R6G溶液。随着蒸发时间的增加即端面液体的减少，接收到的表面增强拉曼散射信号逐渐增强，至完全蒸干后基本保持不变。结果表明，在金纳米粒子聚集完成后，减少端面的液体可以大大增加表面增强拉曼散射信号的强度，这是因为端面液体的吸收和折射会使进入拉曼探测器的表面增强拉曼散射信号大大减弱，实验的表面增强拉曼散射检测都在完全蒸干光纤端面液体的条件下进行。

如图10所示，利用基于光热效应的微流表面增强拉曼散射芯片对R6G溶液表面增强拉曼散射信号进行检测。如图10a所示，首先检测了从10^-5M到10^-10M不同浓度的R6G溶液的表面增强拉曼散射光谱图，可以观察到明显的拉曼峰信号，特征峰分别出现1184cm^-1,1312cm^-1,1364cm^-1,1512cm^-1处，最低检测浓度达到10^-10M，具有较好的灵敏度。如图10b所示，取1364cm^-1和1512cm^-1处拉曼峰进行研究，可以发现在这两处拉曼峰位置，它们的拉曼峰强度的Log函数和浓度的Log函数成很好的线性关系。在1364cm^-1处，可以得到线性公式LogI＝0.362LogC+6.918，决定系数R²＝0.986；在1512cm^-1处可以得到线性公式LogI＝0.387LogC+7.136，决定系数R²＝0.994。可以看出它们之间成很好的线性关系。

进一步地研究芯片检测的R6G溶液的拉曼峰稳定性。如图10c所示，在15次检测中，两处拉曼峰所在波长位置的均值分别为1364.70cm^-1和1512.61cm^-1，两个小图分别是两处拉曼峰位置的分布直方图，及他们的正太分布曲线图，可以看出在15次测量中，拉曼峰分布相对十分集中，距离均值偏差最大不超过3cm^-1。图10d显示的是，在20次测量中1364cm^-1和1512cm^-1处拉曼峰强度的分布点图，所用到检测溶液是10^-8M R6G溶液，在1364cm^-1处和1512cm^-1处的拉曼峰强度的相对标准偏差(RSD)分别是：RSD₁₃₆₄＝7.633％，RSD₁₅₁₂＝7.536％。结果表明芯片的表面增强拉曼散射检测得到的信号十分稳定。

如图11所示，研究了芯片的可重复使用性能，图11a是在检测完成后，关光冲洗芯片得到的1364cm^-1处拉曼峰强度随时间改变的关系图，可以看出在关光条件下，10分钟左右可以将附着在光纤端面的待测物基本洗净；图11b是对10^-8M R6G溶液进行5次重复聚集探测实验过程中，1364cm^-1处拉曼峰强度变化图。可以发现当光纤通光后，由于金纳米双锥快速聚集，并且端面的液体在光热效应下快速蒸干，这时拉曼峰强度明显升高；之后断开光纤中的光信号，让金纳米粒子在静电力的作用下又分散在液体中，光纤端面热点减少，且这时通入去离子水进行冲洗，表面增强拉曼散射信号减弱至0，且为了排除液体的影响，都在端面溶液蒸干情况下进行检测。结果表明在重复测量过程中，拉曼信号的每次响应都十分稳定，且在关光清洗后，表面增强拉曼散射信号消去的比较彻底，表明芯片可以很好的进行重复使用。

为了进一步说明芯片在环境检测领域的应用，我们对生活中常见的有机污染物进行检测分析。如图12所示，我们选用致癌物芘作为待测溶液，图12a是固体芘在玻璃基板上的拉曼光谱图，可以看出芘在1068cm^-1，1243cm^-1，1409cm^-1，1598cm^-1，1632cm^-1，有明显的拉曼峰。如图12b所示的是10^-3M至10^-7M的拉曼光谱图，芯片对芘溶液的最低检测浓度是10^-7M。我们选择了1243cm^-1，1409cm^-1两处位置的拉曼峰进行了稳定性研究。如图12c所示，在这两处拉曼峰位置，它们的拉曼峰强度的Log函数和浓度的Log函数成很好的线性关系。在1243cm^-1，1409cm^-1处，可以得到线性公式分别为LogI₁₂₄₃＝0.242LogC+5.212和LogI₁₄₀₉＝0.211LogC+5.273，决定系数分别为R₁₂₄₃ ²＝0.936和R₁₄₀₉ ²＝0.972，可以看出它们之间成很好的线性关系。如图12d所示，在15次检测中，选取的两处拉曼峰所在波长位置的均值分别为1239.65cm^-1和1408.73cm^-1，两个小图分别是两处拉曼峰位置的分布直方图，结果表明，拉曼峰分布相对十分集中，拉曼峰位置稳定。

我们通过理论计算估算了芯片上的拉曼增强因子(EF)。EF可以通过如下公式计算得到：

其中，I_SERS和I_RS分别是SERS信号强度和没有聚集金纳米双锥的拉曼信号的强度，而N_SERS和N_RS分别表示激发激光照射的分子数量。我们假设光热激发端附近的芘分子的体积都对拉曼信号有贡献，因此公式(7)可以简化为：

其中c_SERS和c_RS分别是表面增强拉曼散射检测和拉曼检测中芘溶液的浓度。我们取10^-7M的芘溶液的表面增强拉曼散射检测结果进行计算，可以得到增强因子EF≈2.65×10⁵。

最后我们探究了不同形状纳米粒子在上述表面增强拉曼散射检测方法下的检测性能差别。如图13所示，我们利用了100nm金纳米球，金纳米双锥和金纳米棒三种不同形状的纳米粒子，这些纳米粒子上都包覆有带正电的CTAB，检测溶液浓度为10^-5M的R6G溶液。可以发现表面积大的100nm金纳米球在测试中取得了更好的检测效果，这与文献报道的一致。而三种纳米粒子在我们所使用的光热自组装方法下，都取得了较强的检测结果，即都产生了比较强的表面增强拉曼散射热点，说明我们的表面增强拉曼散射检测芯片，对不同形状的金纳米粒子都有较好的自组装性能，具有很好的普适性。

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 (10)

1.一种基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片，其特征在于，所述微流芯片包括：

基底(10)，具有微流通道(20)，所述微流通道(20)用于容纳混合溶液，所述混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；

激发光纤(30)，包括光信号输入端(31)和光热激发端(32)，所述光热激发端(32)包括光纤端面和光热膜层，所述光热膜层设置于所述光纤端面的光热膜层，所述光热激发端(32)位于所述微流通道(20)中，所述光信号输入端(31)用于接入光信号，以使所述光热激发端(32)在所述混合溶液中产生光热效应，以将所述贵金属纳米粒子和所述待测物颗粒共同聚集在所述光热膜层上形成粒子聚集体，所述粒子聚集体用于在外部激光的激发下产生拉曼信号。

2.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于，所述微流通道(20)包括第一输入槽(21)、第二输入槽(22)和混合槽(24)，所述第一输入槽(21)、所述第二输入槽(22)分别与所述混合槽(24)连通，所述第一输入槽(21)用于注入贵金属纳米粒子溶液，所述第二输入槽(22)用于注入待测物颗粒溶液，所述贵金属纳米粒子溶液和所述待测物颗粒溶液共同在所述混合槽(24)中形成所述混合溶液，所述光热激发端(32)设置于所述混合槽(24)中。

3.根据权利要求2所述的微流芯片，其特征在于，所述微流通道(20)还包括排出槽(23)，所述排出槽(23)与所述混合槽(24)连通，且所述排出槽(23)用于排出混合溶液。

4.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于，所述光热膜层的材料为金属材料或氧化石墨烯。

5.根据权利要求4所述的微流芯片，其特征在于，所述光热膜层的厚度范围为5nm～40nm，所述光信号的功率为5mW～300mW。

6.根据权利要求3所述的微流芯片，其特征在于，所述激发光纤(30)垂直穿过所述混合槽(24)的底部且所述激发光纤(30)固定于所述基底(10)上，所述光信号输入端(31)位于所述混合槽(24)之外。

7.根据权利要求1所述的微流芯片，其特征在于，所述激发光纤(30)可活动地穿过所述基底(10)的底部，所述光热激发端(32)的光纤端面可相对于所述微流通道(20)的底部移动，所述光信号输入端(31)位于所述微流通道(20)之外。

8.一种权利要求1至7任一项基于光热效应的表面增强拉曼散射微流芯片的检测方法，其特征在于，所述检测方法包括：

向所述微流通道(20)中注入混合溶液，所述混合溶液混合溶液中含有待测物颗粒和经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子；

向所述光信号输入端(31)输入预定功率的光信号，所述光热激发端(32)在所述混合溶液中产生光热效应以将所述贵金属纳米粒子和所述待测物颗粒共同聚集在所述光热膜层上形成粒子聚集体；

经过预定时间后，排出所述微流通道(20)中的部分液体，和/或，移动所述光热激发端(32)，以使所述粒子聚集体位于所述混合溶液的液面之上；

停止向所述光信号输入端(31)输入光信号，利用外部激光对所述粒子聚集体进行激发，以产生拉曼信号，并探测所述拉曼散射信号。

9.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，在探测所述拉曼信号之后，所述检测方法还包括：

排出所述微流通道(20)中的剩余溶液；

向所述微流通道(20)通入清洗溶液，利用清洗溶液冲洗所述光热激发端(32)，以使所述粒子聚集体从所述光热膜层上脱离；

冲洗完成之后对所述微流芯片进行烘干处理。

10.根据权利要求8所述的检测方法，其特征在于，所述待测物颗粒为抗生素、有机污染物中的任意一种，所述经过表面活性剂修饰的贵金属纳米粒子为表面包覆CTAB的金纳米双锥、表面包覆CTAC的金纳米球、表面包覆CTAB的金纳米棒中的任意一种。

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