CN117169192A - 一种自供能、便携及高通量型sers生物传感平台 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，包括：手持式拉曼光谱仪、摩擦纳米发电机、超疏水金属基底和高压电极阵列；摩擦纳米发电机的一端与超疏水金属基底连接，摩擦纳米发电机的另一端与高压电极阵列连接；高压电极阵列设置在超疏水金属基底的上方；摩擦纳米发电机用于将交变电压提供给高压电极阵列；高压电极阵列用于根据交变电压控制超疏水金属基底的液滴进行振荡，产生电涡流，以对液滴加热并加速液滴的蒸发；手持式拉曼光谱仪用于检测富集后的液滴，得到分析物的SERS光谱。本发明为解决SERS‑数字微流体的快速检测问题提供了一种全新的思路，且本发明可以广泛应用疾病诊断、食品安全、环境工程等领域。
Description
技术领域
本发明涉及数字微流控技术领域，特别是涉及一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台。
背景技术
近年来，表面增强拉曼光谱(SERS)已成为一种强大的全生物体指纹识别工具，可以快速、无标记、无损地识别不同的化学和生物分析物。另一方面，待测样品在数字微流体芯片上能够以微液滴(μL或者nL)的形式得到快速灵活的处理。也就是说，数字微流体提供了精细样品预处理的能力，而SERS提供了快速和灵敏的检测方法。充分利用上述特点，将便携式SERS分析技术与数字微流体相结合，从而达到以小样品量实现便携、高通量、高灵敏度及快速分析的目的，因此SERS-数字微流体生物传感器顺应了现代分析技术的发展趋势，在海洋监测、食品安全及传染性疾病控制等领域的现场即时检测方面表现出优异的潜力。
在SERS-数字微流体系统中，通常需要将等离子体金属纳米结构间的间隙控制在10nm以下，以制造有效的信号增强‘热点’，与此同时，还需进一步将目标分子运送到该‘热点’区域范围内，从而获得较好的拉曼增强效果。目前来说，总体有两大策略。第一种是直接将等离子体金属纳米结构与基材相结合，然后通过液滴蒸发将目标分子沉积到基底上的‘热点’区域内，从而获得增强的拉曼光谱信号。然而，为了在基底上制造等离子体金属纳米结构并对相关间隙进行有效控制，其较高的加工要求带来了巨大的应用限制。
为此，科学家们开始探索基于液滴内等离子体金属纳米粒子与目标分析物自组装的新方法。在整个过程中，液滴只需通过蒸发富集效应便可将目标分析物尽可能地输送到等离子体纳米结构的‘热点’区域内，从而达到拉曼检测信号被大幅增强的目的。为此，富集后纳米粒子的沉积分布对检测性能起着至关重要的作用，而沉积分布又主要受液滴与基材在接触过程中的附着力影响。也就是说，基材的表面润湿性及液滴与基材在接触区域的停留时间是两大关键的影响因素。因此在SERS-数字微流体系统中，根据基材的湿润特性，可分为普通疏水性SERS基底、超疏水SERS基底、液体注入表面SERS基底及超疏水-超亲水微图案SERS基底四大类。而根据液滴在基材上是否静态停留，又可分为静态富集与动态富集。
对于普通疏水性基材，在蒸发过程中，三相接触线(TCL)钉扎，并且对于其上呈扁半球形的液滴而言，由于边缘的蒸发速率高于中心，为补偿边缘更快的蒸发损失，一种径向向外流动到边界的内部流场(Deegan flow)占主导地位。为此，液滴内纳米粒子在径向流的驱动下最终富集在三相接触线上，从而在液滴外围形成‘咖啡环图案’。由于环上等离子体金属纳米颗粒和分析物的紧密堆积，从而可获得增强的拉曼信号。
对于超疏水基底，液滴在其上呈近球状。为此，液滴与基底的固-液接触面积较小。此外，随着液滴的蒸发，由于极低的接触角滞后，其三相接触线能够后退滑移。因此，液滴内的纳米粒子最终能够被富集到一个较小的区域。此外，在液滴呈球状的状态下，另一种流动机制(Marangoni flow)开始占主导地位，即液滴内存在一种中心对称的循环涡流。循环涡流能够促进纳米粒子沉积分布的均质化程度，从而使得更多目标分子能够被均一地送到等离子体金属纳米结构的热点区域内。然而，对于不受外界能量刺激的静态液滴，内部的马兰戈尼流(Marangoni flow)通常都较弱，考虑到液滴在超疏水基底上的高度移动特性，液滴在外部能量刺激的操纵下，以来回动态滚动的方式进一步形成内部涡流场，以加强内部纳米粒子的均质化，从而获得更佳的富集效果。
对于注入液体的光滑表面基底，微结构中的空气由填充后的润滑液所取代，消除了三相接触线的钉扎效应并发挥独特的液体排斥能力。在液滴蒸发过程中，随着液滴体积和润滑剂-液体接触面积的减小，接触线能够一直保持稳定的后退滑移，因此液滴中的分析物在蒸发后集中在一个小区域内。
对于超疏水-超亲水微图案基底，它在超疏水基板上进一步制造超亲水微孔阵列所获得的，从而具有基于亲水点锚定微滴的显着能力。在液滴蒸发过程中，液滴的三相接触线只钉扎在面积较小的亲水点区域。因此，液滴内纳米粒子最终被富集到由亲水点限定的区域范围内。此外，超疏水区域可以作为物理屏障，避免相邻样品微滴之间的交叉污染，并在检测过程中保持相互独立。因此，超疏水-超亲水微图案具有高通量检测的优势。
总的来说，为了快速有效的使目标分子在拉曼检测上拥有灵敏度高、均一性及线性度良好的光谱信号，科学家已展开了大量的相关研究工作，并取得了一定的成效。然而，现有的研究方案依然存在诸多局限性，使其难以在实际应用中得以利用。
例如普通疏水性基材虽然液滴可通过咖啡环效应实现金属纳米颗粒和分析物的富集，但在径向流(Deegan flow)与重力共同作用下，密度差异较大的金属纳米颗粒与分析物难以均质化沉积，并且随机性较强，从而较大程度上限制了SERS基板的检测灵敏度以及拉曼信号的均一性。
对于超疏水表面，由于基底难以锚定液滴，从而使得液滴的阵列富集难以实现，检测通量受到严重的限制。其次，超疏水基底不适用于一些在非水相中的分析物。此外，虽然静态液滴内的涡流具备一定的均质化作用，但相对微弱。为此，一种基于液滴来回移动的动态富集方式被提。该方法可通过将外界能量转化为涡流进一步改善均质化问题，但需要额外的供能及控制系统来实现液滴的持续移动。并且随着蒸发液滴的粘度增大，纳米粒子会极易地被吸附至移动轨迹上，从而导致检测分子的丢失问题。
对于注入液体的光滑表面基底，由于润滑剂的选择高度依赖于多孔基材、液滴和纳米颗粒的特性。因此，在实际分析过程中会存在诸多限制，此外，润滑剂的使用不可避免的会对液滴造成污染，并随着液滴地纳米粒子一同富集沉积。因此，在拉曼测量过程中存在背景干扰信号的潜在问题。
对于超疏水-超亲水微图案基底，接触线被钉扎于亲水区域。因此，液滴内纳米粒子地均质化程度通常介于亲水基底与超疏水基底之间，在蒸发过程中，纳米粒子在三相接触线位置具有更好地富集效应，进而使得信号的均一性相对较差。并且，超疏水-超亲水微图案基底也无法适用一些在非水相中的分析物。
这些基于液滴蒸发富集共同缺点是：对于静态液滴，液滴内部纳米粒子的均质化程度都较低。为此，检测信号的均一性及线性度都表现一般。与此同时，超疏水基底上液滴虽可通过动态富集方式大大改善均质化问题，但来回移动的过程中却又易造成纳米粒子的丢失，进而影响到整体的检测性能。并且，额外所需的电源及控制系统也会带来不便携的难题。另一方面，目前的研究中液滴往往处于自然蒸发的环境中，整个富集过程会耗时较长，比如20μL的液滴通常需要2小时以上富集时长。显然，这严重违背了现场即时检测的初衷。为加速液滴的富集，科学家们开始考虑加热辅助的方式。然而，现有技术依然存在各自的局限。例如，对于亲水性及超疏水-超亲水微图案基底，由于三相接触线钉扎，在加热状态下咖啡环效应强烈，反而导致检测性能的下降。而对于注入液体的光滑表面基底，随着加热导致的润滑剂挥发，最终也会导致接触线钉扎的问题，从而导致富集失败。相较于前面三种基底，虽然超疏水基底上动态液滴可以有效抑制加热所导致的接触线钉扎难题。然而，现有的来回移动方式却会导致纳米粒子的丢失问题。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的是提供一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，包括：
手持式拉曼光谱仪、摩擦纳米发电机、超疏水金属基底和高压电极阵列；
所述摩擦纳米发电机的一端与所述超疏水金属基底连接，所述摩擦纳米发电机的另一端与所述高压电极阵列连接；所述高压电极阵列设置在所述超疏水金属基底的上方；所述摩擦纳米发电机用于将交变电压提供给所述高压电极阵列；所述高压电极阵列用于根据所述交变电压控制所述超疏水金属基底的液滴进行振荡，产生电涡流，以对所述液滴加热并加速液滴的蒸发；所述手持式拉曼光谱仪用于检测富集后的所述液滴，得到分析物的SERS光谱。
优选地，所述高压电极阵列包括多个等间距排列的电极。
优选地，所述电极与所述超疏水金属基底的距离为5mm。
优选地，所述电极的直径为2.5mm。
优选地，所述摩擦纳米发电机的峰值电压的范围为4KV-5KV；所述摩擦纳米发电机的转速大于或等于300r/min。
优选地，所述电极之间的间距为5mm。
优选地，所述液滴的体积为7ul。
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：
本发明提供了一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，包括：手持式拉曼光谱仪、摩擦纳米发电机、超疏水金属基底和高压电极阵列；所述摩擦纳米发电机的一端与所述超疏水金属基底连接，所述摩擦纳米发电机的另一端与所述高压电极阵列连接；所述高压电极阵列设置在所述超疏水金属基底的上方；所述摩擦纳米发电机用于将交变电压提供给所述高压电极阵列；所述高压电极阵列用于根据所述交变电压控制所述超疏水金属基底的液滴进行振荡，产生电涡流，以对所述液滴加热并加速液滴的蒸发；所述手持式拉曼光谱仪用于检测富集后的所述液滴，得到分析物的SERS光谱。本发明具有无损富集、通量高、可快速检测；检测信号灵敏度高、线性度及均一性好、样液种类无限制，可自供能的6个重要特性，为解决SERS-数字微流体的快速检测问题提供了一种全新的思路，且本发明可以广泛应用疾病诊断、食品安全、环境工程等领域。
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为本发明实施例提供的平台连接关系示意图；
图2为本发明实施例提供的便携式自供能SERS生物传感平台模块示意图；
图3为本发明实施例提供的诱导电荷的可逆生成和消失示意图；
图4为本发明实施例提供的不同施加电压(V)和电极直径下的不同液滴动态行为示意图；
图5为本发明实施例提供的在6KV开路电压下的液滴示意图；
图6为本发明实施例提供的随着施加电压的增加，水滴的高度/宽度比例的变化示意图；
图7为本发明实施例提供的振荡液滴体积与平均最大温度的变化关系示意图。
附图标记说明：
1-摩擦纳米发电机，2-高压电极阵列，3-超疏水金属基底，4-手持式拉曼光谱仪。
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为本发明实施例提供的平台连接关系示意图，如图1所示，本发明提供了一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，包括：
手持式拉曼光谱仪4、摩擦纳米发电机1、超疏水金属基底3和高压电极阵列2；
所述摩擦纳米发电机1的一端与所述超疏水金属基底3连接，所述摩擦纳米发电机1的另一端与所述高压电极阵列2连接；所述高压电极阵列2设置在所述超疏水金属基底3的上方；所述摩擦纳米发电机1用于将交变电压提供给所述高压电极阵列3；所述高压电极阵列3用于根据所述交变电压控制所述超疏水金属基底3的液滴进行振荡，产生电涡流，以对所述液滴加热并加速液滴的蒸发；所述手持式拉曼光谱仪4用于检测富集后的所述液滴，得到分析物的SERS光谱。
图2为本发明实施例提供的便携式自供能SERS生物传感平台模块示意图，如图2所示，本实施例利用固-固摩擦纳米发电器件的便携及高电压特性，引入了可收集风能的便携式高压电源。在此基础上，阵列的高压电极形成局部的电势阱，从而充当静电镊的作用，利用静电捕获效应在超疏水表面上形成相应的高通量液滴阵列。在交变的电压作用下，液滴振荡蒸发富集，一方面液滴的上下振荡可有效形成内部自搅拌流场，另一方面脉冲电场的涡流加热作用可加速液滴蒸，随着液滴的蒸发最终可形成均一的动态富集，并通过便携式拉曼光谱仪(手持式拉曼光谱仪)进行检测，进而实现自供能高通量的SERS生物传感。
具体的，摩擦纳米发电机包括两个主要部分，即转子和定子。一个尼龙薄膜(长度：238.8毫米；宽度：85毫米；厚度：60微米)涂有四层铜箔(长度：85毫米；宽度：58毫米；厚度：60微米)，被粘贴到丙烯酸盒(内径：76毫米；厚度：2毫米；高度：85毫米)的内壁上形成定子。转子由一个丙烯酸盒(外径：70毫米；厚度：2毫米；高度：76毫米)以及相同的上盖和下盖(外径：70毫米；内径：8毫米；厚度：3毫米)组成。两块海绵(长度：82毫米；宽度：58毫米；厚度：3毫米)粘贴在圆柱体的表面上，并覆盖上两张PTFE薄膜(长度：82毫米；厚度：30微米)。一根不锈钢轴固定在内部圆柱体上，并通过轴承连接到外部圆柱体的盖子上。
如图3所示，诱导电荷的可逆生成和消失。在电压关闭后，液滴中的诱导电荷会消失(由于接地而被中和)，但在电压打开后会再次生成，这是可逆的。
图4中相图显示了在不同施加电压(V)和电极直径下的不同液滴动态行为。在区域I(圆圈)中，液滴静止不动。在区域II(三角形)中，液滴沿水平方向向镊子移动，而在区域III(方块)中，液滴由于库仑力过大最终与表面分离。两条虚线分别表示区域II和区域III的最小电压。图5在6KV开路电压下，整个液滴(约7微升)被提起到镊子上，这是因为静电力高于重力和水滴重力及与基底的粘附力的汇合力。在1.26秒时，液滴与电极接触并获得与电极相同极性的电荷(传导电荷)，导致镊子和液滴之间的排斥力。从1.28秒到1.48秒，液滴受到排斥力的作用而延长，直到底部接触基底然后弹起，这个过程持续了几个周期。在1.57秒时，液滴被分成两部分，液滴的上部附着在镊子上。在这种状态下，两个子液滴仍然由于静电感应而相互吸引。其中，电极与基底间的距离大约为5mm，考虑到摩擦纳米发电机峰值电压在5KV上下具有一定的浮动性，电极直径选择为2.5mm。
图6中，两个光学插图显示，在5kV下，水滴的形状比0kV下更高且更细，证明了镊子和水滴之间经过调整的静电库仑力。光学图像中的比例尺为1毫米，误差棒基于三次测试的标准偏差。
静电镊所使用的电场为直流电源，而摩擦纳米发电机所使用的是脉冲电源，当电压大于等于22kv后液滴振荡的响应时间几乎接近0ms，而这里的实验中两极板间的间距为27mm，这就意味电场强度峰值需要大于等于0.8kv/mm,能达到最佳的效果。综上所述，摩擦纳米发电机的峰值电压应当在4KV-5KV,液滴振荡处于最佳效果，也就是摩擦纳米发电机的转速大于等于300r/min满足最佳条件。与此同时，电极与基底间的距离大约为5mm。考虑到电极直径应尽量大于液滴直径，电极直径选择为2.5mm.由于电极间极性相同，相互之间排斥耦合性非常小，因此在数值设定上没有严格要求，这里将电极间间距也设定为5mm。液滴体积定为7ul。
超疏水表面上液滴的来回移动大大降低了液滴停留的时间，为此很好的降低了液滴蒸发完全后液滴内金/分析物纳米粒子富集的区域面积，也就是提升了浓缩的程度。与此同时，液滴内的均质涡流可让金/分析物纳米粒子均一分布，金纳米粒子均一分布能形成均一的热点，而分析物在热点内的均一分布可形成增强效果好，信号均一的拉曼信号。电极下的液滴振荡响应时间可以几乎接近0ms，这就意味着提留时间接近0ms。与此同时，振荡液滴内部可形成均值的对称涡流。液滴只需上下振荡无需来回移动，可大大减小液滴内物质在基底上的残留。每一个电极可形成单独的电势阱，因此阵列点击可很方便的形成高通量的液滴阵列。摩擦纳米发电机体积小，可采集自然的风能或者海流能实现发电。因此，本发明可实现对生物分子现场即时检测的自供能、无损、便携，高通量的目的。
进一步地，液滴振荡可提高液滴的增发速率，减小富集时间：在250伏特和25毫秒延迟时间的脉冲电压下，3微升液滴的蒸发通量比10微升液滴的蒸发通量大1.47倍(小液滴振荡蒸发速率越快)。当延迟时间从200毫秒减小到25毫秒时，3微升液滴在250伏特振荡时的蒸发通量提高了1.1倍(说明延迟时间的减少对液滴蒸发的影响有限)。在脉冲输入的延迟时间为25毫秒，峰值电压为250伏特的情况下，观察到3毫升液滴的蒸发速率相比静态液滴增加了约18％。由于与底部液滴表面到液气界面的路径较短，对于较小液滴来说，振荡引起的内部循环对蒸发的增强效应更为显著，因此较小的液滴可以以更快的速率蒸发。此外，由于振荡频率更高，较低的延迟时间导致蒸发时间更短。这导致了内部流动的额外增强，提高了液滴内部的传输和蒸发速率。
如图7所示，为了研究使用交流电场对液滴蒸发速率的影响，本实施例进行了额外的实验，与直流电致润湿(脉冲)相比。在一个5毫升的液滴实验中，施加交流电场(250伏特)在2-20赫兹的频率范围内使蒸发速率增加了6.04-6.6％。百分比增加随频率增加而减小，即在200赫兹时为3.45％，在1千赫兹时为0.0092％。然而，对于直流电脉冲输入(250伏特，25毫秒)，相同的液滴蒸发速率增加了11.15％(与20赫兹的交流输入相当)。由此可知脉冲电源能进一步促进液滴的蒸发。
可选地，摩擦纳米发电机上有旋转叶片，在自然风或海洋流的作用下，旋转叶片带动发电机内不同材料间的摩擦，进而产生交变的高电压。相较于传统的高电压电源，可直接将自然能量转化为高压电能，结构简单体积小，移动性强，适合移动作业。在液滴的振荡蒸发富集过程中，液滴在超疏水金属表面的固定位置处上下跳动，从而避免了传统方案中在表面上往复移动所引起的残留问题，因而可用于无损富集，提高检测精度。在交变的高压电场下，液滴还会被进一步被加热，这样可大大缩短液滴蒸发完全的时间，提高富集效率。
本发明的有益效果如下：
1)基于摩擦纳米发电机的高压电源具有绿色自供能、便携、可随处移动及低成本的优点。
2)高压阵列电极可用于含分析物微液滴的高通量操控。
3)液滴的振荡蒸发富集避免了传统移动蒸发富集所引起的分析物丢失问题，进而实现无损均一富集的目的。
4)摩擦纳米发电机的交变高电压在驱使液滴振荡的同时，还可对液滴进行加热，进而缩短液滴蒸发富集的时间。
5)摩擦纳米发电机与手持式拉曼仪的结合可让整个生物传感平台结构紧凑，可移动性强，有利于微型化与移动作业。
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 (7)
1.一种自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，包括：
手持式拉曼光谱仪、摩擦纳米发电机、超疏水金属基底和高压电极阵列；
所述摩擦纳米发电机的一端与所述超疏水金属基底连接，所述摩擦纳米发电机的另一端与所述高压电极阵列连接；所述高压电极阵列设置在所述超疏水金属基底的上方；所述摩擦纳米发电机用于将交变电压提供给所述高压电极阵列；所述高压电极阵列用于根据所述交变电压控制所述超疏水金属基底的液滴进行振荡，产生电涡流，以对所述液滴加热并加速液滴的蒸发；所述手持式拉曼光谱仪用于检测富集后的所述液滴，得到分析物的SERS光谱。
2.根据权利要求1所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述高压电极阵列包括多个等间距排列的电极。
3.根据权利要求2所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述电极与所述超疏水金属基底的距离为5mm。
4.根据权利要求2所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述电极的直径为2.5mm。
5.根据权利要求1所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述摩擦纳米发电机的峰值电压的范围为4KV-5KV；所述摩擦纳米发电机的转速大于或等于300r/min。
6.根据权利要求2所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述电极之间的间距为5mm。
7.根据权利要求1所述的自供能、便携及高通量型SERS生物传感平台，其特征在于，所述液滴的体积为7ul。
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Citations (8)
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|---|---|---|---|---|
| CN102944543A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-02-27 | 中物院成都科学技术发展中心 | 基于表面增强拉曼检测超痕量样品的方法和装置 |
| CN105784670A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-07-20 | 北京理工大学 | 基于电子动态调控金属表面浸润性以提高拉曼检测的方法 |
| CN105973866A (zh) * | 2016-05-05 | 2016-09-28 | 吉林大学 | 一种利用微纳米粒子涂层制备低摩擦超疏水表面增强拉曼基底的方法 |
| CN108375566A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-08-07 | 北京科技大学 | 一种超浸润纳米枝状金sers微芯片及其制备方法 |
| CN109650325A (zh) * | 2019-02-02 | 2019-04-19 | 中国科学院微电子研究所 | 表面增强拉曼散射基底、制备方法及3d富集与检测方法 |
| CN110753838A (zh) * | 2017-05-10 | 2020-02-04 | 苏黎世联邦理工学院 | 表面增强拉曼光谱的方法、用途和装置 |
| CN114149585A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-08 | 北京工业大学 | 一种光致聚合超疏水表面的制备方法及其sers应用 |
| CN114878547A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-09 | 山东大学 | 一种超疏水sers阵列传感器及其制备方法和应用 |
-
2023
- 2023-09-05 CN CN202311134503.3A patent/CN117169192B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN102944543A (zh) * | 2012-11-05 | 2013-02-27 | 中物院成都科学技术发展中心 | 基于表面增强拉曼检测超痕量样品的方法和装置 |
| CN105784670A (zh) * | 2016-03-02 | 2016-07-20 | 北京理工大学 | 基于电子动态调控金属表面浸润性以提高拉曼检测的方法 |
| CN105973866A (zh) * | 2016-05-05 | 2016-09-28 | 吉林大学 | 一种利用微纳米粒子涂层制备低摩擦超疏水表面增强拉曼基底的方法 |
| CN110753838A (zh) * | 2017-05-10 | 2020-02-04 | 苏黎世联邦理工学院 | 表面增强拉曼光谱的方法、用途和装置 |
| CN108375566A (zh) * | 2018-02-09 | 2018-08-07 | 北京科技大学 | 一种超浸润纳米枝状金sers微芯片及其制备方法 |
| CN109650325A (zh) * | 2019-02-02 | 2019-04-19 | 中国科学院微电子研究所 | 表面增强拉曼散射基底、制备方法及3d富集与检测方法 |
| CN114149585A (zh) * | 2021-11-29 | 2022-03-08 | 北京工业大学 | 一种光致聚合超疏水表面的制备方法及其sers应用 |
| CN114878547A (zh) * | 2022-05-30 | 2022-08-09 | 山东大学 | 一种超疏水sers阵列传感器及其制备方法和应用 |
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