CN114324290B

CN114324290B - 基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及sers平台和应用

Info

Publication number: CN114324290B
Application number: CN202111607225.XA
Authority: CN
Inventors: 韩琳; 韩云蕊; 张宇; 韩应宽
Original assignee: Shandong University
Current assignee: Shandong University
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2023-07-25
Anticipated expiration: 2041-12-27
Also published as: CN114324290A

Abstract

本发明涉及分析物浓缩检测领域，具体公开了一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及SERS平台和应用，制备方法包括如下步骤：采用激光雕刻机在聚亚酰胺薄膜表面制备激光诱导石墨烯，得到具有玫瑰花瓣效应的超疏水芯片；在激光诱导石墨烯的部分表面涂覆有机溶剂，得到具有荷叶效应的超疏水芯片，所述荷叶效应区域的粘附性能低于玫瑰花瓣效应区域的粘附性能；通过调控有机溶剂涂覆的位置和面积，实现荷叶效应区域和玫瑰花瓣效应区域的无缝组装，从而形成具有荷叶效应‑玫瑰花瓣效应的超疏水集成芯片。本发明的制备过程简单，制得的芯片超疏水性质优良，通过搭建的SERS平台，可以实现分析物的超低浓度、超高灵敏度和高速检测。

Description

基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及SERS平台和应用

技术领域

本发明涉及分析物浓缩检测领域，特别涉及一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及SERS平台和应用。

背景技术

表面增强拉曼散射(SERS)技术以其极高的灵敏度、荧光背景低、对检测样品无损等优势，被广泛应用于化学工业分析、环境监测、生物分析以及医学检测等诸多领域。在单分子检测的应用方面，SERS技术具有超高的分辨率，可检测超低浓度溶液中的分子。

研究表明，贵金属纳米结构基底及散落的金属纳米粒子可以提供强的局域电磁场-热点(Hot Spot)，当分析物分子吸附在强电磁场中时，分子的拉曼散射信号被显著提高。但是分散在溶液中的分子容易产生扩散限制效应，导致金银纳米颗粒之间的距离比较大，不能形成一个很强的电磁场增强基底。如何缩小纳米颗粒之间的间隙尺寸，获得一个强活性的SERS基底是一个亟待解决的问题。在过去的十年中，研究者利用溶胶-凝胶法、模板法、电子束光刻法、气相沉积法和电沉积/电腐蚀方法制备了新型SERS基底，设计优化了具有活性的SERS平台，通过制造更有效的“热点”来提高SERS检测的灵敏度。然而，所涉及的设备和制造程序既昂贵又复杂，大大限制了常规SERS测量的适用性。

近年来，超疏水表面增强拉曼散射(S-SERS)技术因其对分析物具有很强的富集能力而成为一个新的研究热点。研究者受到大自然的启发(如荷叶、蝉翅、蚊子的复合眼和玫瑰花瓣等)，采用光刻技术、表面沉积技术等构建了超疏水仿生表面(金属蝴蝶翅膀鳞片基底、蝴蝶翅膀@银纳米颗粒基底、干玫瑰花瓣@银基底)等来提高SERS的检测灵敏度。然而，利用天然的生物材料依然具有一定的局限性，如保存时间短，携带困难，检测时间长等，且生物材料的表面性质较为单一，也制约了SERS检测的时效性与灵敏度。对新型基底的进一步探索可为SERS的实际应用打开新的发展方向。目前石墨烯介导的SERS基底已被证明具有良好的SERS性能。研究者通过多种物理化学方法制备石墨烯SERS活性平台，实现了罗丹明6G(R6G)的单分子检测。然而，大多数的石墨烯SERS基底制备过程复杂，检测周期长，检测灵敏度低，稳定性差，这都阻碍了石墨烯在SERS基底制备中的应用。

鉴于以上研究成果，将超疏水仿生SERS技术与石墨烯SERS技术相结合，制备简单实用的新型基底，是拉曼增强领域非常重要的技术和方法。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及SERS平台和应用，以达到制备过程简单、超疏水性质优良，可以实现分析物的超低浓度、超高灵敏度和高速检测的目的。

为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用激光雕刻机在聚亚酰胺薄膜表面制备激光诱导石墨烯，得到具有玫瑰花瓣效应的超疏水芯片；

(2)在激光诱导石墨烯的部分表面涂覆有机溶剂，得到具有荷叶效应的超疏水芯片，所述荷叶效应区域的粘附性能低于玫瑰花瓣效应区域的粘附性能；

(3)通过调控有机溶剂涂覆的位置和面积，实现荷叶效应区域和玫瑰花瓣效应区域的无缝组装，从而形成具有荷叶效应-玫瑰花瓣效应的超疏水集成芯片。

上述方案中，所述有机溶剂包括乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇、石油醚、环己烷、二氯甲烷、乙腈中的一种。

一种基于仿生的SERS平台，采用上述制得的超疏水集成芯片，包括依次连接的风机、缓冲室和实验样槽，所述缓冲室内安装有风速传感器，所述风速传感器连接风速显示器，所述实验样槽为透明有机玻璃制成的两端开口结构，内部设置超疏水集成芯片，所述超疏水集成芯片底部设置加热片，所述加热片连接源表；所述实验样槽顶部开设样品入口；所述实验样槽外部位于超疏水集成芯片区域两侧分别设置高速显微摄像机和LED光源。

上述方案中，所述实验样槽中部为长方体结构，两端为喇叭状开口结构，所述长方体结构的两端设置层流板。

上述方案中，所述样品入口处设置移液器。

上述方案中，所述高速显微摄像机连接计算机。

上述方案中，所述风机上连接有无极调节按钮。

一种基于仿生的SERS平台在分析物浓缩检测中的应用。

所述应用包括如下步骤：

第一步，打开源表，通过调节电压，控制加热片的加热温度，使其温度达到稳定；

第二步，开启风机，旋转无极调节按钮，产生恒定速度的层流气流；

第三步，开启高速显微摄像机和LED光源，做好拍摄准备；

第四步，使用移液器抽取的含金纳米颗粒和分析物的液滴，通过实验样槽顶端的样品入口滴入实验样槽内的超疏水集成芯片的荷叶效应区域，液滴在气流推动下，滚至玫瑰花瓣效应区域，在滚动过程中液滴中的液体不断蒸发，最终液滴中的液体在玫瑰花瓣效应区域完全蒸发，实现金纳米颗粒和分析物的富集；在此过程中，高速显微摄像机对液滴进行拍摄，并将拍摄的图像传输给计算机；

第五步：富集结束后，关闭风机、高速显微摄像机和LED光源，取出超疏水集成芯片，由拉曼检测仪完成分析物的检测。

通过上述技术方案，本发明提供的一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法及SERS平台和应用具有如下有益效果：

1、本发明制得的超疏水集成芯片，在荷叶效应区域可以液滴的实现无损滚动，以及液滴内部金纳米颗粒和分析物分子的均匀混合和分布；在滚动过程中，液滴中的液体不断蒸发；在玫瑰花瓣效应区域，可以实现液滴的稳定固定和液体的完全蒸发，完成金纳米颗粒和分析物分子的高密度聚集，最终实现分析物的高灵敏检测。

2、本发明利用制得的超疏水集成芯片搭建了一个具有强活性的SERS平台，可以实现分析物的超低浓度、超高灵敏度、高速检测。

3、本发明所制备的SERS平台的基底加热片表面热点分布均匀、面积大，可提高SERS信号灵敏性、重复性和稳定性。

4、本发明的SERS平台制作方法简单、成本低，可重复性和可操控性强，拉曼增强效果好(检测极限～10^-17M，增强因子～9.7×10¹¹)，信号均匀性强(相对标准偏差～5.41％)，效率高(243s/18μL)。

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。

图1为本发明实施例所公开的一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法流程示意图，(a)为激光雕刻，(b)为乙醇处理；

图2为本发明实施例所公开的一种基于仿生的SERS平台组成示意图；

图3为本发明实施例所公开的实验样槽结构示意图；

图4为液滴在超疏水芯片上滚动的状态示意图，(a)为金纳米颗粒和罗丹明6G的富集，(b)为液滴滚动蒸发；

图5为高速显微摄像机拍摄的富集状态的电子显微放大图；

图6为超疏水芯片和光滑玻璃片上R6G的拉曼谱线对比图；

图7为不同气流速度下液滴在超疏水集成芯片的荷叶效应区域滚动状态高速摄像图；

图8为不同温度下液滴在超疏水集成芯片的玫瑰花瓣效应区域的黏附蒸发高速摄像图，(a)为温度为130℃时液滴的粘附蒸发行为，(b)为温度为140℃时液滴的粘附蒸发行为，(c)为温度为160℃时液滴的粘附蒸发行为；

图9为超疏水芯片上不同浓度的R6G的SERS谱；

图10为R6G的SERS信号均匀性分布图。

图中，1、激光雕刻机；2、聚亚酰胺薄膜；3、PDMS基底；4、激光诱导石墨烯；5、RPE；6、LLE；7、LLE-RPE；8、乙醇；9、风机；10、缓冲室；11、实验样槽；12、风速传感器；13、风速显示器；14、加热片；15、源表；16、样品入口；17、移液器；18、高速显微摄像机；19、LED光源；20、层流板；21、无极调节按钮；22、三维位移台；23、计算机；24、实验区域；25、进气口；26、出气口。

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。

本发明提供了一种基于仿生的超疏水集成芯片的制备方法，如图1所示，包括如下步骤：

(1)将聚亚酰胺薄膜2放置于PDMS基底3上，采用激光雕刻机1在聚亚酰胺薄膜2表面制备激光诱导石墨烯4，得到具有玫瑰花瓣效应的超疏水芯片，命名为RPE(rose-pedaleffect superhydrophobic chip)5；

(2)在激光诱导石墨烯的部分表面涂覆有机溶剂乙醇8，得到具有荷叶效应的超疏水芯片，命名为LLE(lotus-leaf effect superhydrophobic chip)6，荷叶效应区域的粘附性能低于玫瑰花瓣效应区域的粘附性能；

(3)通过调控乙醇涂覆的位置和面积，实现荷叶效应区域和玫瑰花瓣效应区域的无缝组装，从而形成具有荷叶效应-玫瑰花瓣效应的超疏水集成芯片，命名为LLE-RPE 7。该芯片表面一侧为荷叶效应区域，可以实现液滴的无损滚动，以及液滴内部纳米颗粒和分析物分子的均匀混合和分布；另一侧为玫瑰花瓣效应区域，可以实现液滴的稳定固定，以及纳米颗粒和分析物分子的高密度聚集，最终实现分析物的高灵敏检测。

本发明中的有机溶剂还可以为甲醇、丙酮、异丙醇、石油醚、环己烷、二氯甲烷、乙腈中的一种。

一种基于仿生的SERS平台，如图2所示，采用上述制得的超疏水集成芯片，包括依次连接的风机9、缓冲室10和实验样槽11，缓冲室10内安装有风速传感器12，风速传感器12连接风速显示器13，实验样槽11为透明有机玻璃制成的两端开口结构，以保证其透光性，内部设置LLE-RPE 7，LLE-RPE 7底部设置加热片14，加热片14连接源表15，可给LLE-RPE7加热，加快液滴内液体的蒸发；实验样槽11顶部开设样品入口16，样品入口16处可设置移液器17；实验样槽11外部位于LLE-RPE 7两侧分别设置高速显微摄像机18和LED光源19。

本实施例中，如图3所示，实验样槽11中部为长方体结构的实验区域24，两端为喇叭状开口结构，一端为进气口25，另一端为出气口26，长方体结构的两端设置整流板20，可以使得进入实验区域的气流为层流气流。

风机9上连接有无极调节按钮21，通过调节无极调节按钮21可以精确控制风速大小，通过风速传感器12及风速显示器13读取风速。

高速显微摄像机18由高速摄像仪，高倍显微镜头以及数据采集系统组成。高速显微摄像机连接计算机23，可在计算机23上观察实验区域的状态，LED光源19提供高速显微摄像机18拍摄时所需的亮度。

本发明中，高速显微摄像机18、实验样槽11和LED光源19均位于三维位移台22上，可以调节拍摄的角度和位置。

一种基于仿生的SERS平台在分析物浓缩检测中的应用，本实施例中的分析物为罗丹明6G(R6G)，金纳米颗粒的粒径为45nm，具体包括如下步骤：

第一步，打开源表15，通过调节电压，控制加热片14的加热温度，使其温度达到稳定；

第二步，开启风机9，旋转无极调节按钮21，产生恒定速度的层流气流；

第三步，开启高速显微摄像机18和LED光源19，做好拍摄准备；

第四步，使用移液器17抽取10-18μL的含金纳米颗粒和R6G的液滴，通过实验样槽顶端的样品入口滴入实验样槽11内的LLE-RPE 7的荷叶效应区域，如图4所示，液滴在气流推动下，滚至玫瑰花瓣效应区域，在滚动过程中液滴中的液体不断蒸发，最终液滴中的液体在玫瑰花瓣效应区域完全蒸发，实现金纳米颗粒和R6G的富集；在此过程中，高速显微摄像机18对液滴进行拍摄，并将拍摄的图像传输给计算机23，拍摄的金纳米颗粒和R6G富集状态的电子显微放大图见图5。

第五步：富集结束后，关闭风机9、高速显微摄像机18和LED光源19，取出LLE-RPE7，由拉曼检测仪完成R6G的检测，使用532nm激光器在1微米光斑下扫描得到的拉曼谱线如图6所示。由图6可以看出在制备的芯片上拉曼信号显著增强。

本发明对不同的气流速度下，液滴在LLE-RPE 7的荷叶效应区域滚动状态进行了观察，结果见图7，由图7可以看出，液滴在芯片上的滚动速度与气流速度密切相关，气流速度越大，液滴滚动速度越大，当风速低于1.58m/s时，液滴能在玫瑰花瓣效应区域停止运动并粘附蒸发。当液滴速度更大时，液滴将滚出高速摄像机视野，不再粘附于玫瑰花瓣效应区域。

本发明对液滴在超疏水集成芯片的玫瑰花瓣效应区域的黏附蒸发状态进行了研究，结果见图8，由图8可以看出，随着加热片温度的升高，液滴蒸发模式发生了显著的变化。温度越高，质量扩散系数增大，导致传质能力增强，液滴内部由于温差和溶质不均匀而产生的马兰戈尼效应增强，将三相接触线处的颗粒重新带回至液滴的中心附近，导致了接触线跳跃行为的发生，从而使液滴的接触线变短，这说明高温有利于液滴内金纳米颗粒的聚集。

图9为不同浓度的R6G的SERS谱，表明该方法具有较高的拉曼增强作用。

图10为浓度为10^-10M的R6G的SERS信号在不同位置的变化图，从样品表面的边缘和中心随机选取10个大小为20μm×20μm的区域进行扫描，使用532nm激光器在每个区域收集100个测试点的光谱，并计算拉曼强度的平均值，用于定量的SERS mapping分析。从图10看出，本SERS平台在分析物浓缩检测中热点多，信号强度大，其RSD值为5.41％，表明该方法具有良好的检测信号均匀性。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于仿生的SERS平台应用于分析物浓缩检测的方法，其特征在于，包括如下步骤：

第三步，开启高速显微摄像机和LED光源，做好拍摄准备；

第四步，使用移液器抽取含金纳米颗粒和分析物的液滴，通过实验样槽顶端的样品入口滴入实验样槽内的超疏水集成芯片的荷叶效应区域，液滴在气流推动下，滚至玫瑰花瓣效应区域，在滚动过程中液滴中的液体不断蒸发，最终液滴中的液体在玫瑰花瓣效应区域完全蒸发，实现金纳米颗粒和分析物的富集；在此过程中，高速显微摄像机对液滴进行拍摄，并将拍摄的图像传输给计算机；

第五步：富集结束后，关闭风机、高速显微摄像机和LED光源，取出超疏水集成芯片，由拉曼检测仪完成分析物的检测；

所述超疏水集成芯片的制备方法包括如下步骤：

（1）采用激光雕刻机在聚亚酰胺薄膜表面制备激光诱导石墨烯，得到具有玫瑰花瓣效应的超疏水芯片；

（2）在激光诱导石墨烯的部分表面涂覆有机溶剂，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、丙酮、异丙醇、石油醚、环己烷、二氯甲烷、乙腈中的一种，得到具有荷叶效应的超疏水芯片，所述荷叶效应区域的粘附性能低于玫瑰花瓣效应区域的粘附性能；

（3）通过调控有机溶剂涂覆的位置和面积，实现荷叶效应区域和玫瑰花瓣效应区域的无缝组装，从而形成具有荷叶效应-玫瑰花瓣效应的超疏水集成芯片。

2.一种应用于权利要求1所述的方法的基于仿生的SERS平台，其特征在于，包括依次连接的风机、缓冲室和实验样槽，所述缓冲室内安装有风速传感器，所述风速传感器连接风速显示器，所述实验样槽为透明有机玻璃制成的两端开口结构，内部设置超疏水集成芯片，所述超疏水集成芯片底部设置加热片，所述加热片连接源表；所述实验样槽顶部开设样品入口；所述实验样槽外部位于超疏水集成芯片区域两侧分别设置高速显微摄像机和LED光源。

3.根据权利要求2所述的一种基于仿生的SERS平台，其特征在于，所述实验样槽中部为长方体结构，两端为喇叭状开口结构，所述长方体结构的两端设置层流板。

4.根据权利要求2所述的一种基于仿生的SERS平台，其特征在于，所述样品入口处设置移液器。

5.根据权利要求2所述的一种基于仿生的SERS平台，其特征在于，所述高速显微摄像机连接计算机。

6.根据权利要求2所述的一种基于仿生的SERS平台，其特征在于，所述风机上连接有无极调节按钮。