一种SERS微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及微纳光机电技术领域，具体涉及一种SERS微流控芯片及其制作方法。

背景技术

表面增强拉曼光谱技术具有增强效果好，灵敏度高特异性好的特点，广泛应用于化学检测和生物分析。拉曼增强基底的增强效应是通过贵金属的微纳米结构、颗粒或胶体等来实现的。当被光激发时，拉曼增强基底上的电磁场强度会大大增加，可用于增强分析物的拉曼散射信号。微流控芯片分析技术的应用已经成为生化分析检测的发展趋势。相对于其它分析测试手段，基于微流控技术的生化分析具有检测高效、试剂耗量低、易集成、使用方便等特点，在生物医药、食品安全、环境监测等诸多领域具有广阔的应用前景。

申请号为CN1811389A的中国发明专利文献，公开了具有表面增强拉曼光谱活性基底的微流控芯片及制备方法，具体是在微流控芯片上设有至少一条微通道，在微通道的全部或部分内壁表面有一层具有SERS活性的粗糙金属薄膜。制备时在玻璃或高分子材料薄片上加工凹槽；在凹槽的全部或部分区域，通过物理蒸发、溅射或化学沉积的方法结合掩膜技术制备币族金属薄膜。但均匀的金属纳米粒子的制备和储存都比较困难，且很容易聚集，沉降不稳定，应用范围受到很大限制。

发明内容

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种SERS微流控芯片及其制作方法，采用多孔碳化硅材料制作SERS基底，并利用电化学沉积法实现银纳米颗粒的自动吸附，可制作得到拉曼增强基底，其制作工艺简单、加工效率高、制备成本低、重复性好、稳定性高，且具有较高的SERS活性，该类微流控芯片能实现对不同浓度物质的快速、高效、高灵敏度、高通量的区别检测。

本发明提供一种SERS微流控芯片，包括SERS基底和微流控芯片，所述SERS基底连接于所述微流控芯片的输出通道端，微流控通道的输入端用于输入待检测样品溶液，所述SERS基底为多孔碳化硅基底。

本发明还提供一种SERS微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

分别制作SERS基底和微流控芯片；

将所述微流控芯片与所述SERS基底及载玻片进行键合，并设置液体进口和液体出口，得到SERS微流控芯片；

其中，所述SERS基底选用多孔碳化硅材料，并利用电化学沉积法制成银纳米颗粒，以及自动吸附银纳米颗粒制作得到。

较为优选的，所述SERS基底的制作方法包括：

将预处理过后的多孔碳化硅片浸入硝酸银溶液；

向硝酸银溶液中加入过氧化氢溶液；

向硝酸银溶液中加入PVP溶液；

向硝酸银溶液中加入氢氧化钠溶液，进行电化学沉积得到银纳米颗粒；

多孔碳化硅片自动吸附银纳米颗粒，得到SERS基底。

较为优选的，所述过氧化氢溶液、氢氧化钠溶液与硝酸银溶液的体积比为1：1：1。

较为优选的，加入的所述PVP溶液为0.8～1.5ml。

较为优选的，所述预处理包括：

将多孔碳化硅材料进行裁剪，得到多孔碳化硅材料片；

依次利用盐酸、丙酮和乙醇溶液对所述多孔碳化硅材料片进行表面污染物清洗；

利用稀硫酸对所述多孔碳化硅材料片进行表面氧化物清洗；

利用去离子水对所述多孔碳化硅材料片进行洗涤；

将清洗后的多孔碳化硅材料片固定，用氮气吹干表面。

较为优选的，所述微流控芯片的制作方法包括：

设计微流控芯片的微流控通道；

通过光刻技术制备芯片的硅阳模板；

将配好的PDMS混合液倒入贴合好硅阳模板的培养皿中，除完气泡后放入烘箱热烘；

用刀具将PDMS芯片揭下来并分割切成单块，得到单层的微流控芯片。

较为优选的，所述微流控通道为Y型毛细管力驱动的Y型通道，所述微流控通道包括一个主体段和两个进液段，所述进液段对称设置于所述主体段前端并与所述主体段前端连通，所述进液段的端部为进液口，所述主体段的后端为出液口，所述出液口连接至微流控通道下方的SERS基底凹槽内。

较为优选的，所述微流控通道宽12～15mm，长32～38mm，深1～3mm，所述主体段和进液段宽1～3mm，所述SERS基底凹槽设置于所述微流控通道的进液段底部，所述SERS基底凹槽为正方形凹槽，所述正方形凹槽的边长为7～9mm。

较为优选的，所述将微流控芯片与SERS基底及载玻片进行键合包括：

通过CNC切割技术在载玻片上切割出SERS基底存放区；

将制备好的单层的微流控芯片和载玻片用乙醇超声清洗，待烘干后进行氧等离子体干燥；

将SERS基底放入载玻片上的所述SERS基底存放区，将所述微流控芯片与所述载玻片进行键合。

本发明的有益效果为：

1、采用多孔碳化硅材料制作SERS基底，采用电化学沉积法制成银纳米颗粒，经过多孔碳化硅的吸附作用，相互接触的银纳米颗粒产生热点，通过物理增强的方式，能够显著增强拉曼信号，使其变得非常灵敏，极限达到10

2、微流控通道为Y型毛细管力驱动的Y型通道，所述微流控通道包括一个主体段和两个进液段，所述进液段对称设置于所述主体段前端并与所述主体段前端连通，所述进液段的端部为进液口，所述主体段的后端为出液口，所述出液口连接至微流控通道下方的SERS基底凹槽内。Y型毛细管力驱动的微流控通道利用毛细管现象，无需外部泵浦来推动流体。可以简化系统，并降低设备成本。

3、将拉曼增强基底(即SERS基底)与微流控器件集成，制成SERS微流控芯片。可以通过精确控制样品的流动速度和混合，实现更快的分析速度，实现实时监测。通过设计微流控通道，实现对多个分子的同时分析。实现啶虫脒和多菌灵混合溶液的复杂检测，检测到不同的峰值及对应的含量。为拉曼增强基底在生物化学分析检测、光电、医疗诊断等领域的应用提供了基础。

附图说明

图1为本发明SERS微流控芯片的第一角度立体示意图；

图2为本发明SERS微流控芯片的第二角度立体示意图；

图3为本发明SERS微流控芯片的主视图；

图4为本发明SERS基底的制作方法流程示意图；

图5为本发明电化学沉积后不同银纳米颗粒厚度电场仿真对比示意图；

图6为不同硝酸银浓度电化学沉积的拉曼增强基底增强效果示意图；

图7为SERS基底测得的R6G的拉曼光谱图；

图8为SERS基底的均一性检测得到的拉曼瀑布图；

图9为SERS基底的均一性检测得到的相对标准偏差示意图；

图10为SERS微流控芯片检测啶虫脒的拉曼光谱图；

图11为SERS微流控芯片检测多菌灵固体粉末的拉曼光谱图；

图12为SERS微流控芯片检测不同浓度啶虫脒溶液的拉曼光谱图；

图13为SERS微流控芯片检测不同浓度啶虫脒溶液的拉曼光谱图中特征峰与浓度的线性关系示意图；

图14为SERS微流控芯片检测不同浓度多菌灵溶液的拉曼光谱图；

图15为SERS微流控芯片检测不同浓度多菌灵溶液的拉曼光谱图中特征峰与浓度的线性关系示意图；

图16SERS微流控芯片检测啶虫脒、多菌灵混合溶液的拉曼光谱图。

图中：1-微流控通道，101-进液段，102-主体段，103-进液口，104-主体段，2-SERS基底凹槽。

具体实施方式

为了使本申请所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本申请实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本申请。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本申请的描述。

应当理解，当在本申请说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在本申请说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本申请说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

在本申请说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本申请的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。“多个”表示“两个或两个以上”。

实施例一

图1-3示出了本申请较佳实施例提供的一种SERS微流控芯片的结构示意图，为了便于说明，仅示出了与本实施例相关的部分，详述如下：

本发明提供一种SERS微流控芯片，包括SERS基底和微流控芯片，所述SERS基底连接于所述微流控芯片的输出通道端，微流控通道1的输入端用于输入待检测样品溶液，所述SERS基底为多孔碳化硅基底。

微流控通道为Y型毛细管力驱动的Y型通道，所述微流控通道包括一个主体段和两个进液段，所述进液段对称设置于所述主体段前端并与所述主体段前端连通，所述进液段的端部为进液口，所述主体段的后端为出液口，所述出液口连接至微流控通道下方的SERS基底凹槽内。

在一个实施例中，SERS微流控芯片整体长46mm，宽24mm，高3mm。所述微流控通道宽12～15mm，长32～38mm，深1～3mm，所述主体段和进液段宽1～3mm，所述SERS基底凹槽设置于所述微流控通道的进液段底部，所述SERS基底凹槽为正方形凹槽，所述正方形凹槽的边长为7～9mm。本实施例优选主体段和进液段宽2mm，深2mm，总长为35mm，总宽为14mm。SERS基底凹槽表面为边长为8mm的正方形，厚度为1mm。

实施例二

本实施例还提供一种SERS微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

步骤1，制作SERS基底；

步骤2，制作微流控芯片；

步骤3，将所述微流控芯片与所述SERS基底及载玻片进行键合，并设置液体进口和液体出口，得到SERS微流控芯片；

其中，所述SERS基底选用多孔碳化硅材料，并利用电化学沉积法制成银纳米颗粒，以及自动吸附银纳米颗粒制作得到。

在一个实施例中，步骤1，SERS基底的制作方法包括：

步骤101，对多孔碳化硅进行预处理；

包括：

将多孔碳化硅材料进行裁剪，得到1cm×1cm大小的多孔碳化硅材料片；

依次利用盐酸、丙酮和乙醇溶液对所述多孔碳化硅材料片进行表面污染物清洗，每种溶液清洗10分钟；

利用稀硫酸(1：100配置)对所述多孔碳化硅材料片进行表面氧化物清洗10分钟，深度清洁表面的杂质；

利用去离子水对所述多孔碳化硅材料片进行洗涤5分钟；

将清洗后的多孔碳化硅材料片固定，用氮气吹干表面。

步骤102，将预处理过后的多孔碳化硅片浸入20mM硝酸银溶液；

步骤103，向硝酸银溶液中加入过氧化氢溶液；

步骤104，向硝酸银溶液中加入PVP溶液；

步骤105，向硝酸银溶液中加入氢氧化钠溶液，进行电化学沉积得到银纳米颗粒；

其中，加入的过氧化氢溶液、氢氧化钠溶液、硝酸银溶液的体积比为1：1：1，加入的PVP溶液1ml，即防止反应生成银纳米颗粒发生团聚。

步骤106，反应时间8-10分钟，通过多孔碳化硅片自动吸附银纳米颗粒，得到SERS基底。

在一个实施例中，步骤2，微流控芯片的制作方法包括：

步骤201，设计微流控芯片的微流控通道；

微流控通道为Y型毛细管力驱动的Y型通道，所述微流控通道包括一个主体段和两个进液段，所述进液段对称设置于所述主体段前端并与所述主体段前端连通，所述进液段的端部为进液口，所述主体段的后端为出液口，所述出液口连接至微流控通道下方的SERS基底凹槽内。

在一个实施例中，SERS微流控芯片整体长46mm，宽24mm，高3mm。所述微流控通道宽12～15mm，长32～38mm，深1～3mm，所述主体段和进液段宽1～3mm，所述SERS基底凹槽设置于所述微流控通道的进液段底部，所述SERS基底凹槽为正方形凹槽，所述正方形凹槽的边长为7～9mm。本实施例优选主体段和进液段宽2mm，深2mm，总长为35mm，总宽为14mm。SERS基底凹槽表面为边长为8mm的正方形，厚度为1mm。

步骤202，通过光刻技术制备芯片的硅阳模板；

将硅片在乙醇中进行超声清洗。然后，将清洗后的硅片放置于加热平台上加热20-30min，使硅片彻底干燥。在硅片旋涂上SU-8胶，去除硅片边缘上积累的光刻胶，用2000rpm的速率进行甩胶40S。然后紫外线照射光刻胶上进行曝光，曝光后放置于加热台进行90。C烘烤3min；最后，将硅片放入显影液中显影，然后再次放到加热板上后烘烤，烘干后即可得到带有微纳通道结构的硅阳模板。

步骤203，将配好的PDMS混合液倒入贴合好硅阳模板的培养皿中，除完气泡后放入烘箱热烘；

包括将PDMS主剂与固化剂按质量比10:1混合搅拌均匀，采用抽真空将气泡抽出；再将PDMS层放置在80℃的烘箱中固化30min。

步骤204，用刀具将PDMS芯片揭下来并分割切成单块，得到单层的微流控芯片。

在一个实施例中，步骤3将所述微流控芯片与所述SERS基底及载玻片进行键合，并设置液体进口和液体出口，得到SERS微流控芯片包括：

步骤301，通过CNC切割技术在载玻片上切割出一个1mm×1mm×0.5mm的SERS基底存放区，作为检测区域；

步骤302，将制备好的单层的微流控芯片和载玻片用乙醇超声清洗，待烘干后进行氧等离子体干燥；

步骤303，将SERS基底放入载玻片上的所述SERS基底存放区，将所述微流控芯片与所述载玻片进行键合，实现集成。

实施例三

本实施例提供了一种利用SERS微流控芯片进行拉曼增强实验的测试方法，具体包括以下步骤：

步骤S1，将标定测试分析物配置成水溶度,依次进行稀释所需浓度，再将液态分析物放在表面增强拉曼光谱基底上，再利用拉曼光谱仪分析分析物溶液的拉曼光谱强度的变化，绘制出相同分析物不同浓度的拉曼光谱图；直接在玻璃基板上检测分析物分子，得到光谱图用于和制得的基底做对比；在基底上随机选取10个点，通过检测得到分析物的拉曼光谱图，用于检测其均匀性；在放置一周后，检测相同分析物的拉曼光谱，用于检测其稳定性。

步骤S2，将S1中所得到的光谱图建立模型，当对同种类的待检测样品的未知浓度进行检测时，依据所获得的拉曼光谱中的光谱强度曲线，实现分析物的物质浓度分析检测。

如图5所示，反应生成的银纳米颗粒的厚度对电场仿真的结果几乎没有影响。

如图6所示，不同浓度的硝酸银溶液(10mM，20mM，30mM)电化学沉积的拉曼增强基底进行检测时，硝酸银浓度为20mM时电化学沉积的拉曼增强基底的增强效果最好。

如图7所示，将多个制备好的SERS基底放入不同浓度的R6G溶液中，浸泡30min，之后取出SERS基底放到干燥台烘干，进行拉曼检测，选用785nm波长的激光作为激发波长，激光功率选为30mw，积分时间为5s，积分次数2次。用软件对信号进行去噪与基线化处理，每条谱线的结果均为该浓度下的五次不同采点平均谱线。绘制出拉曼光谱图，测定拉曼基底对R6G的检测极限，检测极限低至10

如图8、9所示，将基底浸泡在浓度为10

如图10、11所示，SERS微流控芯片检测啶虫脒、多菌灵固体粉末的拉曼光谱图中可以看出SERS微流控芯片增强效果显著。

如图12、13所示，将啶虫脒固体粉末溶解于去离子水与甲醇中，稀释一定浓度，配制不同浓度的啶虫脒溶液，将多个制备好的微流控SERS芯片内通入不同浓度的啶虫脒溶液中，进行拉曼检测，选用785nm波长的激光作为激发波长，激光功率选为30mw，积分时间为5s，积分次数2次。用软件对信号进行去噪与基线化处理，每条谱线的结果均为该浓度下的五次不同采点平均谱线。从图中可以看出检测啶虫脒溶液分子的信号,在1580cm

如图14、15所示，将多菌灵固体粉末溶解于去离子水与甲醇中，稀释一定浓度，配制不同浓度的多菌灵溶液，将多个制备好的微流控SERS芯片内通入不同浓度的多菌灵溶液中，进行拉曼检测，选用785nm波长的激光作为激发波长，激光功率选为30mw，积分时间为5s，积分次数2次。用软件对信号进行去噪与基线化处理，每条谱线的结果均为该浓度下的五次不同采点平均谱线。从图中可以看出检测啶虫脒溶液分子的信号,在1230cm

如图16所示，将啶虫脒、多菌灵固体粉末溶解于去离子水与甲醇中，稀释一定浓度，配制为一定浓度的啶虫脒、多菌灵混合溶液，将制备好的微流控SERS芯片内通入啶虫脒、多菌灵混合溶液中，进行拉曼检测，选用785nm波长的激光作为激发波长，激光功率选为30mw，积分时间为5s，积分次数2次。用软件对信号进行去噪与基线化处理，每条谱线的结果均为该浓度下的五次不同采点平均谱线。在拉曼光谱中，不同的物质会产生不同的特征峰，这即使拉曼光谱的指纹特性。检测结果有象征着多菌灵、啶虫咪的特征峰，表示该设备对多菌灵、啶虫咪混合溶液具有一定的检测区分效果。

应该明白，公开的过程中的步骤的特定顺序或层次是示例性方法的实例。基于设计偏好，应该理解，过程中的步骤的特定顺序或层次可以在不脱离本公开的保护范围的情况下得到重新安排。所附的方法权利要求以示例性的顺序给出了各种步骤的要素，并且不是要限于所述的特定顺序或层次。

在上述的详细描述中，各种特征一起组合在单个的实施方案中，以简化本公开。不应该将这种公开方法解释为反映了这样的意图，即，所要求保护的主题的实施方案需要比清楚地在每个权利要求中所陈述的特征更多的特征。相反，如所附的权利要求书所反映的那样，本发明处于比所公开的单个实施方案的全部特征少的状态。因此，所附的权利要求书特此清楚地被并入详细描述中，其中每项权利要求独自作为本发明单独的优选实施方案。

为使本领域内的任何技术人员能够实现或者使用本发明，上面对所公开实施例进行了描述。对于本领域技术人员来说；这些实施例的各种修改方式都是显而易见的，并且本文定义的一般原理也可以在不脱离本公开的精神和保护范围的基础上适用于其它实施例。因此，本公开并不限于本文给出的实施例，而是与本申请公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。

上文的描述包括一个或多个实施例的举例。当然，为了描述上述实施例而描述部件或方法的所有可能的结合是不可能的，但是本领域普通技术人员应该认识到，各个实施例可以做进一步的组合和排列。因此，本文中描述的实施例旨在涵盖落入所附权利要求书的保护范围内的所有这样的改变、修改和变型。此外，就说明书或权利要求书中使用的术语“包含”，该词的涵盖方式类似于术语“包括”，就如同“包括”，在权利要求中用作衔接词所解释的那样。此外，使用在权利要求书的说明书中的任何一个术语“或者”是要表示“非排它性的或者”。

以上所述实施例仅用以说明本申请的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本申请的保护范围之内。