一种低背景干扰拉曼测试芯片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及拉曼检测技术领域，尤其是涉及一种低背景干扰拉曼测试芯片及其制备方法和应用。

背景技术

拉曼光谱(Raman spectroscopy)是特定分子或材料独有的化学指纹，能够准确、快速、无损的确认材料种类，是材料表征的利器。作为一种光谱检测技术，拉曼光谱以其独特的优势广泛应用于材料分析、化工生产、医药分析、地质和环境监测、海关安检等多个重要领域，成为当前发展最快的分析技术之一。拉曼光谱技术的主要优势可归纳如下：

(1)可测量样品形态多样化。拉曼光谱可以测量包括固态、液态、气态及混合态(如悬浊液、凝胶等)，并能够测量高粘度及透明或不透明的样品，对所测样品的物质形态要求较小。

(2)非接触、无损伤。拉曼光谱是一种完全非接触、无损伤的光谱技术，因此适用于检测部分难以提取的样品(如活性细胞检测、宝石和文物检测等)。

(3)分析过程简单，无需预处理。其他类型的分析仪器，样品预处理环节(如溶解、研磨或压制等)往往是必需而繁琐，且预处理后的样品无法回收，易造成样品的损耗甚至破坏；而拉曼光谱分析具有无需样品预处理的优势，大部分样本取样后即可直接进行测量，并且测量过程对样品本身没有损耗和破坏，因此在很大程度上降低了一起的日常维护需求以及操作人员的专业性要求。

(4)受强极性溶剂的干扰小。与近红外光谱技术不同，水的拉曼散射信号十分微弱，光谱峰简单。所以拉曼光谱不受水等强极性溶剂的干扰，非常适合水溶剂等含水样品的检测。

(5)分析速度快。拉曼光谱通常仅需几秒钟就能采集到目标样本的光谱。

(6)微观空间分辨率。拉曼显微技术属于微区检测技术，所用激光源的焦点直径(Focal diameter)通常仅有0.2～2μm，所以样品需求量很小；一般而言，常量成分固体检测只需2～2.5μg样品量，常量成分液体检测只需100～200μL样品量。因此，共聚焦显微镜的使用能够在亚微米级的空间分辨率下实现高灵敏度的拉曼显微分析，可以方便地对单个粒子或样品上的特定微区进行快速准确的拉曼分析。

(7)适用于原位、体外和体内分析。拉曼光谱是一种非接触式无损技术，能够原位探测反应器皿内化学反应的过程，而不会干扰反应的进行。拉曼光谱对水的耐受性还允许其用于体内和体外分析(如皮肤上的化妆品分析、微生物单细胞表征及用于智能药物设计的药物-细胞相互作用)。

(8)拉曼谱峰的特征性。拉曼光谱通过探测单个化学键的振动从而提供详细且丰富的样品信息，可用于表征物质组成，并可以通过检索庞大的拉曼光谱数据库，快速识别未知材料；每种物质的拉曼光谱在50～4000cm-1范围内都包含丰富而尖锐的拉曼谱峰，这些谱峰分别与特定的化学结构相对应，因此被称为该物质的特征峰。

(9)细微信息。除一般的材料识别和表征外，拉曼光谱还能够探测如结晶度、相变、内在应力/应变和氢键作用力等化学效应。

然而，拉曼散射效率(Raman scttering efficiency)很低,每108～1014个总的散射光子中仅有一个拉曼散射光子，直至拉曼设备的光源由传统光源被取代激光光源所取代，这一问题才有所改善，但拉曼散射的效率仍远远低于瑞利散射(Rayleightscattering)。此外，在拉曼测试过程中测试芯片材料本征的拉曼信号峰对于被测样品的拉曼信号分析所带来的干扰以及由此造成的拉曼在样品测试过程中的困难仍是不可忽视的。

中国专利CN201610599623.4公布了一种基于金属点阵的SERS基底的拉曼测试芯片，该测试芯片包括：硅基基底，以及形成在所述硅基基底上的金属点阵和设置在所述金属点阵以外区域的疏水层，构成所述金属点阵的金属层的材料为金、银或铜。利用金属点阵的金属位置相对亲水使得待检测物质在金属点上更好的富集，利于拉曼信号的增强；但该专利的适用面不广泛，限制待测样本为液体，对于粉末或颗粒样本、片状样本等样本的检测效果提升有限。

公开号为CN201210446089.5的中国专利公布了一种以二氧化钛纳米管阵列为基底，在纳米管阵列表面或管内均匀地溅射纳米银颗粒的SERS测试芯片，通过二氧化钛纳米管的内径大小控制银颗粒的形貌，同时利用二氧化钛纳米管在UV光下的光催化特性，将附着的有机物分解，达到循环使用的目的；虽然该发明基底稳定性高，可循环使用利于降低成本，但一该专利方面严格限制了待测样本为低浓度有机物，通用性低，另一方面且金属银的固有成本依旧不低。此外二氧化钛在UV光下的光催化特性能否保证基底上的有机物彻底分解，若有残余，则必然会对其他的有机物检测造成干扰。

发明内容

针对测试芯片的本征拉曼信号对于被测样品造成的拉曼信号分析受到干扰的问题以及由此造成的拉曼在样品测试过程中的困难，本发明的目的是为了提供一种低背景干扰拉曼测试芯片及其制备方法和应用。通过在基底模板上镀低背景拉曼信号强度的金属层，大大降低了背景信号对于拉曼测试过程中的信号干扰，提高了拉曼测试的灵敏度，降低了拉曼测试和图谱数据处理的难度。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种低背景干扰拉曼测试芯片，包括基底模板和金属层，所述金属层设于基底模板的上表面或下表面，所述金属层由低背景拉曼信号强度的金属材料铝制成。

进一步地，所述基底模板和金属层外由高分子材料密封。

上述更进一步地，所述高分子材料选自聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)或聚氯乙烯(Polyvinyl chloride)。

进一步地，所述基底模板的厚度尺寸为0.5～2mm。

进一步地，所述金属层在垂直于基底模板厚度方向上的尺寸为微米量级，所述金属层的厚度范围为70～150μm，优选为100μm。

进一步地，所述金属层由多个金属颗粒组成，金属颗粒密度为5×10

上述更进一步地，所述金属颗粒的颗粒直径为90～110nm，优选为100nm。

本发明还提供一种低背景干扰拉曼测试芯片的制备方法，具体步骤如下：

步骤S1、提供一个基底模板，所述基底模板具有上表面、下表面以及在所述上表面、下表面之间延伸的厚度方向；

步骤S2、采用具有低背景拉曼信号强度的金属材料在所述基底模板的上表面上或下表面下镀一层金属层；

步骤S3、对步骤S2中得到的镀有金属层的基底模板使用高分子材料进行封装，从而获得低背景干扰拉曼测试芯片。

进一步地，步骤S1中，所述的基底模板的材料为超白玻璃。

进一步地，步骤S1中，采用CNC技术(英文计算机数字控制技术)控制基底模板的尺寸。

进一步地，步骤S1中，采用化学法对基底模板进行钢化处理，可以提高超白玻璃作为基底模板的强度和耐高低温冲击。

进一步地，步骤S1中，采用砂轮对基底模板进行平面磨削处理，提高基底模板的表面质量和平整度。

进一步地，步骤S1中，采用超声波清洗仪对基底模板进行清洗处理，去除基底模板表面杂质，同时提高金属材料对于基底模板的附着力。

进一步地，步骤S2中，所属金属材料为铝金属材料。

进一步地，步骤S2中，使用电阻加热真空镀膜技术将金属材料蒸镀在基底模板的上表面上或下表面下。

此外，本发明还提供一种低背景干扰拉曼测试芯片的应用，将上述低背景干扰拉曼测试芯片应用于材料分析、化工生产、医药分析、地质和环境监测以及海关安检中。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.本发明通过在超白玻璃基底模板的上表面或下表面通过电阻加热真空镀膜技术镀上一层铝金属层，从而制备得到低背景拉曼干扰测试芯片，该低背景拉曼干扰测试芯片相对于传统测试芯片，大大降低了背景信号对于拉曼测试过程中的信号干扰，提高了拉曼测试的灵敏度，降低了拉曼测试和图谱数据处理的难度；

2.本发明的适用性广，不仅可以测试pH值在5.8～8.2范围内的弱酸、弱碱液体样本，还可以测试体积小的颗粒或者厚度薄小、片装样本(如微生物、动植物细胞、组织切片等)；

3.本发明具有检测一致性良好且成本低的优势，本发明所提供的制备方法简单，结构特性简易，容易根据不同的测试要求做出相应的调整。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实验例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。

附图中：

图1为根据本发明一种实施例的低背景拉曼干扰测试芯片的结构示意图；

图2为根据本发明一种实施例的采用电阻加热真空镀膜技术制备低背景拉曼干扰测试芯片的示意图；

图3为根据本发明的一个实施例的本发明芯片的拉曼信号和细菌样本的拉曼信号对比图。

图4为材质是普通玻璃的测试芯片(对比例1)的拉曼信号和细菌样本的拉曼信号对比图；

图5为材质是超白玻璃的测试芯片(对比例2)的拉曼信号和细菌样本的拉曼信号对比图；

图6为材质是在超白玻璃基底上镀铜的测试芯片(对比例3)的拉曼信号和细菌样本的拉曼信号对比图；

图7为材质是在钙钠基底上镀铝的测试芯片(对比例4)的拉曼信号和细菌样本的拉曼信号对比图。

附图编号说明：1、基底模板，2、金属层，3，超白玻璃，4、真空罩，5、衬底，6、铝金属材料，7、蒸发源，8真空系统。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式作详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

实施例1

为了解决拉曼测试芯片的本征拉曼信号对于被测样品造成的拉曼信号分析的干扰问题，本实施例提供了一种低背景干扰拉曼测试芯片。如图1所示，该低背景干扰拉曼测试芯片包括：基底模板1和低背景拉曼信号金属层2两部分。

本实施例通过在基底模板1的上表面或下表面镀上一层金属层2制备的低背景拉曼干扰测试芯片，本测试芯片相对于传统测试芯片，大大降低了背景信号对于拉曼测试过程中的信号干扰，提高了拉曼测试的灵敏度，降低了拉曼数据处理的难度。

在本发明的一个实施例中，低背景拉曼信号金属层2在垂直于基底模板1厚度方向上的尺寸为微米级，低背景拉曼信号金属层2的镀层厚度为70～150μm，此厚度由基底模板1的厚度决定。将金属镀层的厚度限定在上述范围内，可以保证镀在基底模板1表面上的金属层与基底模板1之间有足够强的附着力，使金属层可以稳定存在。

在本发明的一个实施例中，低背景拉曼信号金属层2的金属颗粒的颗粒直径约100nm，低背景拉曼信号金属层的金属颗粒密度为5×10

在本发明的一个实施例中，基底模板1的厚度尺寸为0.5～2mm，即毫米量级，既可保证模板自身耐冲击性，又不会因为厚度影响测试芯片的实际使用。

本实施例还提供一种低背景干扰拉曼测试芯片的制备方法，具体步骤如下：

步骤S1、提供一个基底模板1，所述基底模板1具有上表面和下表面以及在所述上表面、下表面之间延伸的厚度方向；

所述的基底模板1的材料为超白玻璃3；

采用CNC技术精准控制基底模板1的尺寸为75mm×25mm，便于后续的处理程序；

采用化学法(离子扩散改变玻璃表面分子的组成)对基底模板1进行钢化处理，可以提高超白玻璃3作为基底模板1的强度和耐高低温冲击，降低测试芯片的使用条件；

采用砂轮对基底模板1进行平面磨削处理，得到较高的表面质量，提高基底模板1的平整度；

采用超声波清洗仪对基底模板1进行清洗处理，去除基底模板1表面杂质的同时还可以提高蒸发的铝金属分子对于基底模板1的附着力。

步骤S2、采用具有低背景拉曼信号强度的金属材料在所述基底模板1的上表面上或下表面下镀一层金属层2；

所属金属材料为铝金属材料6；

使用电阻加热真空镀膜技术将金属铝材料蒸镀在基底模板1的上表面上或下表面下；

步骤S3、对具有金属层2的基底模板1使用高分子材料进行封装，从而获得低背景拉曼信号测试芯片；所用封装材料采用低成本的市售聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride)等。

实施例2

本实施例提供一种低背景干扰拉曼测试芯片，包括：基底模板1和金属层2，所述金属层2设于基底模板1的上表面或下表面，所述金属层2由低背景拉曼信号强度的金属材料制成。

在本实施例中，所述基底模板1和金属层2外由高分子材料密封。

在本实施例中，所述高分子材料选自聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)或聚氯乙烯(Polyvinyl chloride)。

在本实施例中，所述基底模板1的厚度尺寸为1mm。

在本实施例中，所述金属层2的厚度为100μm。

在本实施例中，所述金属层2由多个金属颗粒组成，金属颗粒密度为5×10

本实施例还提供一种低背景干扰拉曼测试芯片的制备方法，结合图2，进一步对制备工艺流程进行描述，具体步骤如下：

(1)对超白玻璃3进行预处理：采用CNC技术精准控制超白玻璃3的尺寸为75mm×25mm，采用化学法(离子扩散改变玻璃表面分子的组成)对超白玻璃3进行钢化处理，采用砂轮对超白玻璃3进行平面磨削处理，采用超声波清洗仪对超白玻璃3进行清洗处理。

(2)将超白玻璃3通过夹具固定在衬底5表面上，通过分子泵使真空罩4内体系保持真空状态，以交流电升高蒸发源7(电阻式热蒸发舟)的温度，将紧贴蒸发源7电阻丝的铝金属材料6(铝金属片或铝金属丝)加热至熔融蒸发成为铝金属分子，具备相当运动速度的气态铝金属分子基本以无碰撞的直线飞行到超白玻璃3表面，到达超白玻璃3表面的气态铝金属分子凝聚成核后逐渐生长为固相薄膜，并且继续在模板表面上横向生长，最终连成一片，从而形成覆盖基底模板的光滑、高反射率的金属层2。

采用电阻加热真空镀膜技术，不仅膜层致密、不易污染，且仅需通过检测蒸发温度、基底模板表面温度、真空度等参数，并根据需要调整加热功率和蒸发源位置等因素，便可控制膜层的厚度和均匀性等性质。

(3)对具有金属层2的超白玻璃3使用高分子材料进行封装，从而获得低背景拉曼信号测试芯片；所用封装材料采用低成本的市售聚乙烯(Polyethylene)、聚苯乙烯(Polystyrene)、聚氯乙烯(Polyvinyl chloride)等。

对比例1

材质是普通玻璃的测试芯片。

对比例2

材质是超白玻璃的测试芯片。

对比例3

材质是在超白玻璃基底上镀铜的测试芯片。

对比例4

材质是在钙钠基底上镀铝的测试芯片。

性能测试

如图3所示，将待测试的细菌样本分散在无菌去离子水中并充分混和均匀，仅需取1.5μL混有菌样的液体样品在上述实施例中提供的低背景拉曼信号测试芯片的金属层2表面上的点样区点样，待液体自然蒸发即为完成样本测试的前处理过程。

以532nm入射激光为例，激光功率为8mW，积分时间为2s，累计次数为一次，可得到区别明显的镀铝测试芯片的拉曼光谱和细菌样本的拉曼光谱，镀铝测试芯片的拉曼信号无明显的特征峰，不会对细菌样本的拉曼信号造成任何干扰，只需简单地后期数据处理便可扣除测试芯片的镀铝金属层的拉曼信号，降低了拉曼测试和图谱数据处理的难度。

如图4所示，将待测试的细菌样本分散在无菌去离子水中并充分混和均匀，仅需取1.5μL混有菌样的液体样品在材质为普通玻璃的测试芯片(对比例1)表面上的点样区点样，待液体自然蒸发即为完成样本测试的前处理过程。

以532nm入射激光为例，激光功率为8mW，积分时间为2s，累计次数为一次，可在普通玻璃测试芯片的拉曼光谱和细菌样本的拉曼光谱中均观察到明显的二氧化硅拉曼峰，分别在500cm

如图5所示，将待测试的细菌样本分散在无菌去离子水中并充分混和均匀，仅需取1.5μL混有菌样的液体样品在材质为超白玻璃的测试芯片(对比例2)表面上的点样区点样，待液体自然蒸发即为完成样本测试的前处理过程。

以532nm入射激光为例，激光功率为8mW，积分时间为2s，累计次数为一次，可在超白玻璃测试芯片的拉曼光谱和细菌样本的拉曼光谱中均观察到明显的二氧化硅拉曼峰，分别在500cm

如图6所示，将待测试的细菌样本分散在无菌去离子水中并充分混和均匀，仅需取1.5μL混有菌样的液体样品在材质为超白玻璃基底上镀铜的测试芯片(对比例3)表面上的点样区点样，待液体自然蒸发即为完成样本测试的前处理过程。

以532nm入射激光为例，激光功率为8mW，积分时间为2s，累计次数为一次，可得到区别明显的镀铜测试芯片的拉曼光谱和细菌样本的拉曼光谱，镀铜测试芯片的拉曼信号为轻微凸起的半椭圆形，无明显的特征峰，尽管后期数据处理便可扣除测试芯片的镀铜金属层的拉曼信号，但对细菌样本的拉曼信号测试仍会造成一定的干扰。

如图7所示，将待测试的细菌样本分散在无菌去离子水中并充分混和均匀，仅需取1.5μL混有菌样的液体样品在材质为钙钠基底上镀铝的测试芯片(对比例4)表面上的点样区点样，待液体自然蒸发即为完成样本测试的前处理过程。

以532nm入射激光为例，激光功率为8mW，积分时间为2s，累计次数为一次，可得到区别明显的镀铝测试芯片的拉曼光谱和细菌样本的拉曼光谱，镀铝测试芯片的拉曼信号无明显的特征峰，不会对细菌样本的拉曼信号造成任何干扰，只需简单地后期数据处理便可扣除测试芯片的镀铝金属层的拉曼信号，降低了拉曼测试和图谱数据处理的难度。

以上四组对比例中，对比例1和对比例2测试芯片自身明显的二氧化硅拉曼信号峰，对于细菌样本的拉曼信号的收集产生了明显的干扰；对比例3的镀铜测试芯片的拉曼信号为轻微凸起的半椭圆形，会对细菌样本的拉曼信号测试造成一定的干扰；对比例4在钙钠基底上镀铝的测试芯片，由于基底材料的改变，造成镀膜工艺的改变，进而提高了金属镀膜的成本；总之，本发明低背景拉曼信号测试芯片是在考量了成本和测试效率之后的一种较为优秀的拉曼测试芯片解决方案。

上述的对实施例和对比例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。