微流控表面增強拉曼測試芯片及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微流體的拉曼檢測技術領域，特別是涉及一種微流控表面增強拉曼測試芯片及其制備方法。
【背景技術】
[0002]表面增強拉曼技術(SurfaceEnhanced Raman Scattering, SERS)是指借助粗糖金屬表面或金屬納米結構增強吸附分子的拉曼信號的技術，它可以使拉曼信號增強101°?111倍，這意味著它能檢測單個分子。由于其具有超高的靈敏度，SERS技術已被廣泛應用于化學、生物學、醫學等領域。
[0003]微流控芯片技術(Microfluidic Chip, MC)是指把化學、生物和醫學等領域中所涉及的樣品制備、反應、分離和檢測等操作單元集成到微米尺度的芯片上，由微通道組成網絡，以可控流體貫穿整個系統，從而取代常規生物醫學或化學實驗室的各種功能的技術。微流控芯片也被稱作芯片實驗室(Lab on a chip)，它可以在幾分鐘甚至更短的時間內進行幾百個樣品的同時分析。與傳統的分析方法相比，它具有分析效率高、試劑消耗量小和體積小易于集成等優點。
[0004]隨著微流控芯片的集成化和微型化，其處理的微流體的體積逐漸減少，從nL(10 9L)到pL(10 12L)甚至到fL(10 15L)，如此微量的體積使得試樣分子的檢測成為難題。但是具有超高靈敏度的SERS技術恰好能解決這一難題，于是，基于SERS檢測技術的微流控芯片應運而生。
[0005]目前這種芯片尚處于研究階段，還沒有統一的名字，一般稱作微流控表面增強拉曼測試芯片(Microfluidic SERS Chip, MSC)。SERS技術與MC技術的結合使得其自身的缺陷也得到了克服，相比于傳統的SERS技術，MSC技術有著以下幾大優勢:1)克服了被測分子在增益介質表面分布不均的問題，大大提高了數據的可靠性以及測試的可重復性；2)解決了局域加熱的問題，避免了分子在測試過程中受熱分解；3，可用于流體的實時SERS監測。
[0006]目前，微流控表面增強拉曼測試芯片大致可以分為兩種:顆粒式芯片和基底式芯片。顆粒式芯片是指利用分散的SERS納米顆粒增強拉曼信號的芯片。如Taylor等人以納米銀顆粒作為檢測試劑制備出了顆粒式的MSC。由于顆粒式芯片制備容易，只需要設計納米顆粒試劑的入口溝道以及與試樣溶液混合的混合溝道即可，所以它也成為各國研究小組普遍采用的方法。顆粒式芯片雖然制備簡單、成本低廉，但是它也有著自身的缺點，例如:I)在測試過程中納米顆粒是隨著液體的流動而不斷損耗的，這樣造成了極大的浪費；2)它必須設計彎曲的混合溝道來促使待測溶液和檢測試劑充分混合，這樣就延長了測試時間，降低了效率；3)因為納米顆粒容易沉降和團聚，所以它必須在測試前當即配制，或經過化學修飾以保持分散狀態。
[0007]基底式芯片是指利用固定的SERS基底增強拉曼信號的芯片，如Mao等人利用光亥IJ、深反應離子束刻蝕、化學氣相沉積和熱蒸鍍等微加工方法制備出了以納米柱陣列為SERS基底的MSC，其增益系數可以達到5.2 X 15,并且制備出的SERS基底式芯片在測試時具有良好的一致性。不足之處在于，此基底式芯片主要以納米柱的頂端面為增益表面，這使得其增益系數的提升有限，而且制備工藝復雜，成本高昂，不利于大規模生產。
[0008]綜上所述，雖然基底式芯片的制備過程復雜一些，但是其測試信號一致性良好且使用起來簡單方便，不存在顆粒式芯片的上述問題。因此，如何基于基底式芯片進行改進以提升其增益系數可能成為未來市場的主流。

【發明內容】

[0009]本發明的目的旨在提供一種微流控表面增強拉曼測試芯片及其制備方法，該測試芯片的檢測區設置具有三維增益面結構的金屬柱群，增加了與待測分子的接觸表面積，從而大幅提升了增益系數和檢測的靈敏度。
[0010]根據本發明的一個方面，提供了一種微流控表面增強拉曼測試芯片的制備方法，包括以下步驟:步驟S1、提供一模板，模板具有上表面和下表面以及在上表面和下表面之間延伸的厚度方向，模板具有多個間隔開的通孔，每一通孔沿模板的厚度方向穿透模板；步驟S2、采用具有SERS活性的金屬材料在模板的多個通孔的每一通孔內形成金屬柱，從而獲得一金屬柱群；步驟S3、去除模板的材料，以暴露出金屬柱群，從而在任意兩個相鄰的金屬柱之間形成供待測流體通過的微流道；以及步驟S4、對具有微流道的金屬柱群進行封裝，使得金屬柱群作為微流控表面增強拉曼測試芯片的檢測區，從而獲得微流控表面增強拉曼測試芯片。
[0011]進一步地，在步驟SI中，通孔在垂直于厚度方向上的尺寸為納米量級。
[0012]進一步地，在步驟S2中，金屬材料完全填充通孔，并且之后繼續在模板的上表面上形成覆蓋上表面的金屬覆蓋膜。
[0013]進一步地，在步驟S2中，采用電化學沉積法將金屬材料沉積至模板。
[0014]進一步地，在電化學沉積中所采用的電鍍液選自含金離子的溶液、含銀離子的溶液、含銅離子的溶液和含鉬離子的溶液中的一種或多種。
[0015]進一步地，模板的材料為聚碳酸酯或陽極氧化鋁。
[0016]進一步地，在步驟S3中，采用腐蝕液去除模板的材料；優選地，模板的材料為聚碳酸酯時，采用二氯甲烷作為腐蝕液；模板的材料為陽極氧化鋁時，采用磷酸溶液作為腐蝕液。
[0017]進一步地，在步驟SI中，模板的下表面被連接至一透明且導電的第一硬質基板上；在步驟S2中，還包括在金屬覆蓋膜上設置的第二硬質基板。
[0018]根據本發明的另一方面，提供了一種微流控表面增強拉曼測試芯片，包括:第一硬質基板；第二硬質基板，與第一硬質基板相對平行設置；以及由具有SERS活性的金屬材料形成的金屬層，設置在第一硬質基板和第二硬質基板之間，并由第一硬質基板延伸至第二硬質基板；其中，金屬層包括由多個金屬柱形成的金屬柱群，每一金屬柱沿從第一硬質基板到第二硬質基板的厚度方向延伸，并且金屬柱群中任意兩個相鄰的金屬柱之間形成供待測流體通過的微流道。
[0019]進一步地，金屬柱在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸為納米量級。
[0020]進一步地，第一硬質基板由透明且導電的材料制成，金屬柱群從第一硬質基板開始朝向第二硬質基板的厚度方向延伸。
[0021]進一步地，金屬層還包括位于金屬柱群與第二硬質基板之間的金屬覆蓋膜，金屬覆蓋膜與金屬柱群一體成型。
[0022]進一步地，還包括分別設置在第一硬質基板與金屬層之間的第一粘結層，以及設置在第二硬質基板與金屬層之間的第二粘結層；第一粘結層由透明導電粘結劑形成。
[0023]進一步地，金屬柱群垂直于第一硬質基板和第二硬質基板設置。
[0024]進一步地，金屬柱群中每個金屬柱的豎直高度為3 μ m?12 μ m，優選為6 μ m。
[0025]進一步地,金屬柱的密度為I X 18個/cm2?6 x 18個/cm2,優選地,金屬柱為圓柱結構時，金屬柱的直徑為1nm?400nm。
[0026]應用本發明的技術方案，通過在微流控表面增強拉曼測試芯片的檢測區設置具有三維增益柱面的金屬柱群，該結構相對于傳統的基底式的增益表面結構，大大增加了檢測區與待測分子的接觸面積，從而大幅提升了增益系數和檢測靈敏度。本發明還可以根據所設置的金屬柱群中每個金屬柱的直徑、金屬柱群的周期進行設計、調整，進而滿足不同測量條件的要求，具有檢測一致性好且成本低等優勢。本發明所提供的制備方法操作簡單。
[0027]根據下文結合附圖對本發明具體實施例的詳細描述，本領域技術人員將會更加明了本發明的上述以及其他目的、優點和特征。
【附圖說明】
[0028]后文將參照附圖以示例性而非限制性的方式詳細描述本發明的一些具體實施例。附圖中相同的附圖標記標示了相同或類似的部件或部分。本領域技術人員應該理解，這些附圖未必是按比例繪制的。附圖中:
[0029]圖1為根據本發明一種實施例的微流控表面增強拉曼測試芯片的結構示意圖；
[0030]圖2為根據本發明一種實施例的采用電化學沉積法制備金屬柱群的電鍍狀態示意圖；以及
[0031]圖3為根據本發明一種實施例的制備微流控表面增強拉曼測試芯片的流程示意圖；
[0032]圖4為根據本發明一種實施例的微流控表面增強拉曼測試芯片的實際應用狀態示意圖。
【具體實施方式】
[0033]為了解決現有技術中的基底式測試芯片的增益系數及檢測靈敏度低的問題，本發明提供了一種微流控表面增強拉曼測試芯片。如圖1所示，該測試芯片包括第一硬質基板20、第二硬質基板30以及由具有SERS活性的金屬材料形成的金屬層40。第二硬質基板30與第一硬質基板20相對平行設置。金屬層40設置在第一硬質基板20和第二硬質基板30之間，并由第一硬質基板20延伸至第二硬質基板30。金屬層40可以包括由多個金屬柱12形成的金屬柱群，每一金屬柱12沿從第一硬質基板20到第二硬質基板30的厚度方向延伸，并且金屬柱群中任意兩個相鄰的金屬柱12之間形成供待測流體通過的微流道13。
[0034]本發明通過在檢測區設置金屬柱群結構，并在任意兩個相鄰的金屬柱12之間形成微流道13，在檢測時大大增加了通過微流道13的待測物質與金屬柱群表面之間的接觸面積，進而大幅提升了增益系數和檢測靈敏度。
[0035]如圖1所示，在本發明的一個實施例中，金屬層40除了包括由金屬柱12形成的金屬柱群外，還包括位于金屬柱群與第二硬質基板30之間的金屬覆蓋膜14。其中金屬覆蓋膜14與金屬柱群一體成型。通過設置一體成型的金屬覆蓋膜14，使得金屬柱12通過金屬覆蓋膜14與第二硬質基板30連接，增加了金屬柱群的穩固性。同時由于一體成型的金屬覆蓋膜14存在，待測物質從微流道13流過時，也會與金屬覆蓋膜14具有接觸面積，進一步提升了檢測時的增益系數和檢測靈敏度。
[0036]在本發明的一個未示出的實施例中，金屬層40可以僅包括由金屬柱12形成的金屬柱群。
[0037]金屬柱12在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸可以為納米量級。在本發明的一個實施例中，金屬柱群中每個金屬柱12的豎直高度為3μπι?12μπι，此高度由模板的厚度決定。將金屬柱12的高度限定在上述范圍內，可以保證待測物質與金屬柱三維增益面之間具有足夠大的接觸面積，進而保證檢測的靈敏度。在本發明的