[发明专利]基于PDMS三维微纳天线的表面增强拉曼散射微流控系统

说明书

技术领域

本发明属于纳米光子学和微流控领域，具体涉及表面增强拉曼散射光谱技术。

背景技术

随着人类社会发展，面向人类健康的疾病，食品污染，环境毒素，毒品，以及军事国防等国家安全的爆炸物痕量分子检测需求日益增长，成为化学、物理、生命科学和纳米科技领域快速增长的研究课题。分子在不同条件下吸收或发射的光谱波长、强度、偏振态等与该分子的结构特征有着固有关系，因此，光谱方法被认为是探测和研究痕量分子的有力工具。其中，拉曼光谱是一种光子入射到分子上发生的非弹性碰撞，其频率改变量与分子固有振动能级相对应，能实现对分子样品的“指纹”识别，具有很高的探测准确度。但是，通常拉曼散射截面和荧光散射截面相比非常小，使得微弱的拉曼信号淹没在强的荧光信号里面，灵敏度低，难以实现痕量分子探测。近年来，迅速发展起来的表面增强拉曼散射（surface-enhanced Raman scattering，简称SERS）光谱克服了传统拉曼光谱存在的拉曼信号微弱、检测灵敏度低、易受荧光干扰的缺点；具有不需要预处理、非侵入非破坏性等优点。逐渐成为探测痕量甚至单分子特性、表征分子结构有效的测试分析工具，在生命科学、食品安全、环境监测、军事科学等与国家安全和人民身体健康息息相关的领域中有着广泛的应用前景。在可见波段的金银颗粒中，SERS电磁场增强因子达到10¹⁴-10¹⁵量级，和传统拉曼光谱技术相比，信号大幅度提高。

前述SERS技术的诸多优点使得它可以作为分子的识别探针，用于痕量分子检测。目前基于SERS分子检测系统主要有3种典型方式：一是将金属纳米粒子注入光子晶体光纤，进行SERS信号探测；二是采用外加电场/磁场等主动方式将金属纳米粒子吸附在微通道中，形成SERS微流控系统；三是采用纳米桥接的微通道方式，采用被动方式形成SERS微流控系统。但是，这些SERS系统使用较多的银纳米粒子，容易被空气氧化；大多采用二维SERS基底与微流控技术结合，用于拉曼增强的“热点”有限；多是基于实验室大型设备设计的、使用比较复杂，对分子样品进行检测时，实时在线性和便捷性不好。

发明内容

本发明为了解决银纳米粒子容易被空气氧化的缺点，提出采用石墨烯的方式，一方面保护易被氧化的银纳米粒子，一方面有望得到好的化学增强；同时，为了解决SERS检测系统体积大、价格昂贵，不利于在线检测的缺点，提出基于光纤耦合的SERS微流控系统；并且，针对二维SERS基底用于拉曼增强的“热点”有限的缺点，提出基于PDMS/银纳米粒子/石墨烯的三维微纳天线结构作为拉曼散射基底。

本发明采用以下技术方案实现：

本发明是一种基于PDMS/银纳米粒子/石墨烯的三维微纳天线结构的表面增强拉曼散射微流控系统，所述微流控系统包括微通道基板、微通道、基于PDMS/银纳米粒子/石墨烯的三维微纳天线结构的拉曼散射基底、激光源、光谱仪、光纤和SERS光纤探针。所述微通道基板为玻璃板，作为微通道（采用PDMS（聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane）））的承载体，微通道采用PDMS材料，两端封闭，并在紧挨封闭端上侧分别设有待测分子入射小孔和待测分子出射小孔，微通道中设置有基于PDMS/银纳米粒子/石墨烯的三维微纳天线结构的拉曼散射基底作为探测区。

具体地，所述基于PDMS/银纳米粒子/石墨烯的三维微纳天线结构的拉曼散射基底包括PDMS三维微纳天线结构、银纳米粒子层和石墨烯层；所述银纳米粒子层是利用溅射和真空退火方法修饰在PDMS三维微纳天线结构表面，所述石墨烯层是通过转移附着在银纳米粒子表面。

工作方式：待测分子由入射小孔进入，流过探测区的三维拉曼散射基底，待测分子吸附到三维拉曼散射基底上；激励光源通过光纤、SERS探针，照射吸附有待测分子的三维拉曼散射基底，待测分子的散射信号由SERS探针、光纤导出到光谱仪，完成待测分子拉曼信号检测。微通道内可以注入液体分子，也可以注入气体分子，进行液体、气体分子检测。

本发明的显著优点在于：

1、采用了石墨烯与银纳米粒子层结合，一方面保护银纳米粒子的氧化，另一方面可带来更高的化学增强；

2、采用PDMS三维微纳天线结构，比表面积大，有效增加了银纳米粒子的填充效果，具有更多的拉曼增强“热点”，有利于局域表面等离子共振效应，拉曼散射信号强度增大，克服了现有SERS微流控多采用二维SERS基底拉曼增强“热点”少的缺点；