[發明專利]基于PDMS三維微納天線的表面增強拉曼散射微流控系統

有效

• 申請號: 201410064274.7
• 申請日: 2014-02-25
• 公開（公告）號: CN103785492A
• 公開（公告）日: 2014-05-14
• 發明（設計）人: 朱永;張潔;張曉蕾;李鈞穎
• 申請（專利權）人: 重慶大學
• 主分類號: B01L3/00
• 分類號: B01L3/00;G01N21/65
• 代理公司: 重慶華科專利事務所 50123
• 代理人: 康海燕

技術領域

本發明屬于納米光子學和微流控領域，具體涉及表面增強拉曼散射光譜技術。

背景技術

隨著人類社會發展，面向人類健康的疾病，食品污染，環境毒素，毒品，以及軍事國防等國家安全的爆炸物痕量分子檢測需求日益增長，成為化學、物理、生命科學和納米科技領域快速增長的研究課題。分子在不同條件下吸收或發射的光譜波長、強度、偏振態等與該分子的結構特征有著固有關系，因此，光譜方法被認為是探測和研究痕量分子的有力工具。其中，拉曼光譜是一種光子入射到分子上發生的非彈性碰撞，其頻率改變量與分子固有振動能級相對應，能實現對分子樣品的“指紋”識別，具有很高的探測準確度。但是，通常拉曼散射截面和熒光散射截面相比非常小，使得微弱的拉曼信號淹沒在強的熒光信號里面，靈敏度低，難以實現痕量分子探測。近年來，迅速發展起來的表面增強拉曼散射（surface-enhanced?Raman?scattering，簡稱SERS）光譜克服了傳統拉曼光譜存在的拉曼信號微弱、檢測靈敏度低、易受熒光干擾的缺點；具有不需要預處理、非侵入非破壞性等優點。逐漸成為探測痕量甚至單分子特性、表征分子結構有效的測試分析工具，在生命科學、食品安全、環境監測、軍事科學等與國家安全和人民身體健康息息相關的領域中有著廣泛的應用前景。在可見波段的金銀顆粒中，SERS電磁場增強因子達到10¹⁴-10¹⁵量級，和傳統拉曼光譜技術相比，信號大幅度提高。

前述SERS技術的諸多優點使得它可以作為分子的識別探針，用于痕量分子檢測。目前基于SERS分子檢測系統主要有3種典型方式：一是將金屬納米粒子注入光子晶體光纖，進行SERS信號探測；二是采用外加電場/磁場等主動方式將金屬納米粒子吸附在微通道中，形成SERS微流控系統；三是采用納米橋接的微通道方式，采用被動方式形成SERS微流控系統。但是，這些SERS系統使用較多的銀納米粒子，容易被空氣氧化；大多采用二維SERS基底與微流控技術結合，用于拉曼增強的“熱點”有限；多是基于實驗室大型設備設計的、使用比較復雜，對分子樣品進行檢測時，實時在線性和便捷性不好。

發明內容

本發明為了解決銀納米粒子容易被空氣氧化的缺點，提出采用石墨烯的方式，一方面保護易被氧化的銀納米粒子，一方面有望得到好的化學增強；同時，為了解決SERS檢測系統體積大、價格昂貴，不利于在線檢測的缺點，提出基于光纖耦合的SERS微流控系統；并且，針對二維SERS基底用于拉曼增強的“熱點”有限的缺點，提出基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結構作為拉曼散射基底。

本發明采用以下技術方案實現：

本發明是一種基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結構的表面增強拉曼散射微流控系統，所述微流控系統包括微通道基板、微通道、基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結構的拉曼散射基底、激光源、光譜儀、光纖和SERS光纖探針。所述微通道基板為玻璃板，作為微通道（采用PDMS（聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane）））的承載體，微通道采用PDMS材料，兩端封閉，并在緊挨封閉端上側分別設有待測分子入射小孔和待測分子出射小孔，微通道中設置有基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結構的拉曼散射基底作為探測區。

具體地，所述基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結構的拉曼散射基底包括PDMS三維微納天線結構、銀納米粒子層和石墨烯層；所述銀納米粒子層是利用濺射和真空退火方法修飾在PDMS三維微納天線結構表面，所述石墨烯層是通過轉移附著在銀納米粒子表面。

工作方式：待測分子由入射小孔進入，流過探測區的三維拉曼散射基底，待測分子吸附到三維拉曼散射基底上；激勵光源通過光纖、SERS探針，照射吸附有待測分子的三維拉曼散射基底，待測分子的散射信號由SERS探針、光纖導出到光譜儀，完成待測分子拉曼信號檢測。微通道內可以注入液體分子，也可以注入氣體分子，進行液體、氣體分子檢測。

本發明的顯著優點在于：

1、采用了石墨烯與銀納米粒子層結合，一方面保護銀納米粒子的氧化，另一方面可帶來更高的化學增強；

2、采用PDMS三維微納天線結構，比表面積大，有效增加了銀納米粒子的填充效果，具有更多的拉曼增強“熱點”，有利于局域表面等離子共振效應，拉曼散射信號強度增大，克服了現有SERS微流控多采用二維SERS基底拉曼增強“熱點”少的缺點；