基于sers檢測的微流控芯片、制備方法及其應用
【專利摘要】基于SERS檢測的微流控芯片、制備方法及其應用，所述的制備方法包括制備超疏水二氧化鈦涂覆液，制備帶超疏水層的基體，制備芯片，芯片包括基體和設置在基體表面的T形流道，流道內(nèi)為超親水，流道外為超疏水；T形流道的橫流道兩端作為兩個流道進口，豎流道末端設檢測區(qū)；T形流道的橫流道內(nèi)分布有超疏水的微圖案，微圖案從兩端向中心劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域內(nèi)的超疏水圖案間距相等，而沿兩端向中心方向區(qū)域與區(qū)域間的圖案間距梯度增大，在橫流道內(nèi)從兩端到中心形成疏水到親水的潤濕梯度；豎流道設計成楔形流道。本發(fā)明的有益效果是：結(jié)合表面潤濕梯度和楔形結(jié)構流道，實現(xiàn)了液滴自動運輸?shù)綑z測區(qū)，極大降低了微流體驅(qū)動的成本。
【專利說明】
基于SERS檢測的微流控芯片、制備方法及其應用
技術領域
[0001] 本發(fā)明涉及一種基于SERS檢測的微流控芯片、制備方法及其應用。
【背景技術】
[0002] 表面增強拉曼技術（Surface Enhanced Raman Scattering，簡稱SERS)是指借助 粗糙金屬表面或金屬納米結(jié)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 1010~1011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(yī)學等領域。
[0003] 微流控芯片是通過微加工的方法制作出微米級別的通道，通過通道的設計將分析 的各種基本過程如樣品前處理、分離、分析檢測集成在一個小的基片上，實現(xiàn)對蛋白質(zhì)、無 機離子、DNA等化學成分的快速標定和檢測，叫做微流控芯片實驗室。它可以在幾分鐘甚至 更短的時間內(nèi)進行幾百個樣品的同時分析。與傳統(tǒng)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(yōu)點。
[0004] 微流控芯片廣泛的應用價值得到了眾多研究者的關注，其相關的基礎和應用研究 已成為一個前沿的研究領域。
[0005]隨著微流控芯片的集成化和微型化，其對微流體體積的控制逐步提高，要求體積 達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。
[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。雖然運用廣泛，但是仍存在如下缺點：（1)結(jié)構復雜，制備過程繁瑣，需要很多例如蠕動 栗等外部輔助設備；（2)液體的流動時損耗大，而且被檢測粒子分布不均勻，檢測精度不夠 尚。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明針對目前的微流控表面增強拉曼測試芯片存在結(jié)構復雜，制備過程繁瑣、 液體的流動時損耗大，而且被檢測粒子分布不均勻，檢測精度不夠高的問題，提出了一種結(jié) 構簡單、制作方便、液體流動損耗小、被檢測粒子分布均勻、檢測精度高的基于SERS檢測的 微流控芯片、制備方法及其應用。
[0008] 本發(fā)明所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，包括以下步驟：
[0009] 1)制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50~100Hz 條件下超聲配成的二氧化鈦懸浮液，再加入硅烷，繼續(xù)在50~100Hz條件下超聲混勻，然后 室溫下反應1~2h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液；，所述的無水乙醇的加入量以二氧化鈦質(zhì) 量計為0.01~0.02g/mL，所述硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01~0.03:1;
[0010] 2)制備帶超疏水層的基體:利用旋涂機將超疏水二氧化鈦涂覆液分次旋涂到清洗 干凈的玻璃片等基體表面，然后置于烘箱中100~120°C處理1~2h，得到帶超疏水層的基 體;所述的超疏水二氧化鈦涂覆液的涂覆用量為ο. 1~ο. 2g/cm3;
[0011] 3)制備掩膜板:通過高分辨的激光打印機在膠片上打印用于透光的T形流道，制成 掩膜板，其中所述的Τ形流道由橫流道和垂直于橫流道中間位置的豎流道組成，所述的橫流 道以中間位置為軸對稱從兩端向中間位置劃分成若干相應對稱的區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布 疏水微圖案，所述的疏水微圖案所對應基體相應位置的位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的 部分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩端向中間位置所述區(qū)域內(nèi)疏水微圖案個數(shù)遞減，即相鄰 疏水微圖案間的間距逐漸遞增;所述的豎流道設計成楔形流道，末端作為檢測區(qū)；
[0012] 4)制備芯片：將掩膜板覆蓋在帶超疏水涂層的基體表面，然后開啟深紫外光(UV) 光源，紫外光透過所述的掩膜板，照射到超疏水涂層表面，被曝光區(qū)域由超疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H 水，而基體剩余的部分仍為超疏水，掩膜板上的Τ形流道被復制到基體的超疏水表面上。
[0013] 所述的UV輻照強度為15mW cm-2，波長為390nm，照射時間為5~15min。
[0014]所述的硅烷為十八烷基三甲氧基硅烷。
[0015] 步驟1)中的第一次超聲時間為30~60min，第二次超聲時間為5~lOmin。
[0016] 步驟1)中的基體為玻璃片、金屬片或者棉織品片。
[0017] 所述的基體的清潔方式為:將基體依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲10~20min， 超聲頻率為50~100Hz。
[0018]步驟2)中的旋涂次數(shù)為五次，每次取50yL二氧化鈦涂覆液
[0019] 旋涂到洗凈的基體表面。
[0020] 所述的旋涂機的轉(zhuǎn)速為1000~2000rad/min。
[0021] 本發(fā)明所述的制備方法制備得到的基于SERS檢測的微流控芯片，其特征在于:包 括基體和設置在基體表面的T形親水流道，所述的T形親水流道由橫流道和垂直于橫流道中 間位置的豎流道組成，所述的橫流道以中間位置為軸對稱從兩端向中間位置劃分成若干相 應對稱的區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布疏水微圖案，所述的疏水微圖案所對應基體相應位置的 位置為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的部分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩端向中間位置所述區(qū) 域內(nèi)疏水微圖案個數(shù)遞減，即相鄰疏水微圖案間的間距逐漸遞增，從而在流動內(nèi)形成從兩 端往中間親水區(qū)域逐漸增大的潤濕梯度;潤濕梯度能驅(qū)動被檢測液滴自發(fā)運動；豎流道設 計成楔形流道，豎流道的楔形結(jié)構能驅(qū)動融合后的液滴繼續(xù)運動，直到流道末端的檢測區(qū)。 [0022]所述的豎流道為楔形流道，其中楔形角為4~8°。
[0023]如本發(fā)明所述的微控流芯片在同時檢測液體待分析物中的應用，其特征在于:所 述的應用方法按以下步驟進行：
[0024] (1)配置1~ΙΟΟηΜ含待分析物的溶液和濃度為0.3~0.5mM的Au納米粒子溶液；
[0025] (2)在T形流道的橫流道其中一個流道進口處滴入5~10yL的Au納米粒子溶液，同 時，在另一個流道進口處滴入5~10yL的含待分析物的溶液；
[0026] (3)兩個液滴在橫流道交匯處融合，并在豎流道內(nèi)充分混合后運動到豎流道末端 的制定檢測區(qū)，在檢測區(qū)進行原位的拉曼檢測定，得到混合溶液的SERS光譜圖，從而可以確 定含待分析物的溶液中待分析物的濃度。
[0027]本發(fā)明的有益效果是：（1)本發(fā)明設計的基于SERS檢測的液滴自驅(qū)動式微流控芯 片流道內(nèi)具備潤濕梯度，結(jié)合潤濕梯度和楔形結(jié)構實現(xiàn)液滴自驅(qū)動，可省去外力驅(qū)動系統(tǒng) 等輔助設備，更易實現(xiàn)微流控芯片的微型化和便攜化；（2)液滴在兩個具備潤濕梯度的流道 內(nèi)基本無液體損失，液滴混合后在梯形流道內(nèi)能充分混合均勻，可以獲得高重復的SERS信 號，適合進行定量或半定量分析，同時大幅提升SERS檢測的靈敏度。
【附圖說明】
[0028]圖1是(a)為本發(fā)明中基于SERS檢測的液滴自驅(qū)動式微流控芯片的結(jié)構示意圖，其 中陰影區(qū)域為超疏水區(qū)域，無陰影區(qū)為超親水區(qū)域，其中標號表示：1為基體;2為T形流道； 21，22為T形流道2橫流道的兩個入口流道;23為T形流道的豎流道;231為豎流道末端的檢測 區(qū)；箭頭代表液滴運動的方向。(b)為(a)中流道21或22的放大圖，從左到右親水區(qū)域逐步增 大，呈現(xiàn)潤濕梯度；（c)為液滴融合區(qū)域局部放大圖。
[0029]圖2是一種Au納米粒子溶液和不同濃度的羅丹明B混合后的SERS光譜圖。
[0030]圖3是一種DNA溶液和Au納米粒子溶液混合前后的SERS光譜圖。
【具體實施方式】
[0031]下面結(jié)合附圖進一步說明本發(fā)明 [0032] 參照附圖：
[0033]實施例1本發(fā)明所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，包括以下步驟： [0034] 1)制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將0. lg粒徑為25nm的二氧化鈦粉末(P25)與10mL無 水乙醇混合后在100Hz條件下超聲30min配成0.01g/mL的二氧化鈦懸浮液，再加入0.2mL十 八烷基三甲氧基硅烷，繼續(xù)在100Hz條件下超聲10min混勻，然后室溫下反應12h，得到超疏 水二氧化鈦涂覆液;所述硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.02:1;
[0035] 2)制備帶超疏水層的基體:利用旋涂機將超疏水二氧化鈦涂覆液分次旋涂到清洗 干凈的基體上表面，然后置于烘箱中l(wèi)〇〇°C處理lh，得到帶超疏水層的基體，液滴在該表面 的接觸角為152.5° ;所述的旋涂機的轉(zhuǎn)速為1000rad/miη;所述的超疏水層的厚度為5μπι;所 述的超疏水二氧化鈦涂覆液的涂覆用量為〇. lg/cm3;
[0036] 3)制備掩膜板:通過高分辨的激光打印機在膠片上打印用于透光的T形流道，制成 掩膜板，其中所述的T形流道由橫流道和垂直于橫流道中間位置的豎流道組成，所述的橫流 道以中間位置為軸對稱從兩端向中間位置劃分成若干相應對稱的區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布 疏水微圖案，所述的疏水微圖案所對應基體相應位置的位置為超疏水區(qū)，疏水微圖案之外 的部分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩端向中間位置所述區(qū)域內(nèi)疏水微圖案個數(shù)遞減，即相 鄰疏水微圖案間的間距逐漸遞增;所述的豎流道的末端作為檢測區(qū)；
[0037] 4)制備芯片:將掩膜板覆蓋在帶超疏水涂層的基體表面，然后開啟UV光源，紫外光 透過所述的掩膜板照射到超疏水涂層表面，曝光l〇min后，超疏水涂層表面被曝光區(qū)域由超 疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水(水接觸角小于5° )，而基體剩余的部分仍然為超疏水，即可將掩膜板上 的T形流道復制到基體的超疏水表面上，其中所述的UV輻照強度為15mW cnf2,波長為390nm。
[0038] 步驟1)中的基體為玻璃片、金屬片或者棉織品。
[0039]所述的基體的清潔方式為:將基體依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲10min，超聲 頻率為100Hz。
[0040]步驟2)中的旋涂次數(shù)為五次，每次取50yL二氧化鈦涂覆液旋涂到洗凈的基體表 面。
[0041] 其中往二氧化鈦懸浮液加入硅烷的量對曝光前后接觸角和從超疏水到超親水所 需曝光時間的影響如下表：
[0042]
[0043] 實施例2本發(fā)明所述的制備方法制備得到的基于SERS檢測的微流控芯片，包括基 體1和設置在基體表面的T形流道2,所述的T形流道2的橫流道兩端作為兩個流道進口（21， 22)，所述的T形流道2的豎流道23末端作為檢測區(qū)231;所述的T形流道2的橫流道從兩端向 中心劃分成多個區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布疏水圖案24，每個疏水圖案24對應基體相應位置 作為超疏水區(qū)，疏水圖案之外的部分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩端向中間位置所述區(qū)域 內(nèi)疏水圖案個數(shù)遞減，，即相鄰疏水圖案間的間距逐漸遞增，即相應的基體1上的親水區(qū)所 占比例呈梯度遞增;所述的豎流道23的末端設有檢測區(qū)；，整個T形流道成為用于液滴自驅(qū) 動運動的梯度潤濕表面。
[0044] 所述的豎流道23為楔形流道，其中楔形角為6°。
[0045] 實施例3所述的微控流芯片在同時檢測液體待分析物中的應用，其特征在于:所述 的應用方法按以下步驟進行：
[0046] (1)配置羅明丹B溶液和濃度為0.5mM的Au納米粒子溶液；
[0047] (2)在T形流道的橫流道其中一個流道進口處滴入5yL的Au納米粒子溶液，同時，在 另一個流道進口處滴入5yL的羅明丹B溶液；
[0048] (3)由于橫流道設置兩個潤濕梯度，能為液滴運動提供一個驅(qū)動力，實現(xiàn)液滴的自 驅(qū)動，兩個液滴在橫流道交匯處融合，并在豎流道內(nèi)充分混合后運動到豎流道末端的制定 檢測區(qū)，在檢測區(qū)進行原位的拉曼檢測定，得到混合溶液的SERS光譜圖，從而可以確定含待 分析物的溶液中待分析物的濃度。
[0049] 采用前面所述方法制備微流控芯片，芯片的設計示意圖如圖1(a)所示，包括兩個 流道入口和運輸混合液滴的楔形流道，兩個入口流道具備潤濕梯度(親水區(qū)域面積逐步增 大），楔形流道楔形角為6°。圖2為三種不同濃度（11^，1〇1^，100_)的羅丹明8與六11納米粒子 的溶液混合后的SERS光譜圖，可以檢測到信號的最小羅丹明B的濃度達到InM。
[0050] 實施例4與實施例3相比的區(qū)別之處在于:所述的羅明丹B溶液替換成DNA溶液，圖3 為DNA溶液和Au納米粒子溶液混合前后的SERS光譜圖，可以發(fā)現(xiàn)Au納米粒子能明顯增強DNA 的拉曼信號。
[0051] 本說明書實施例所述的內(nèi)容僅僅是對發(fā)明構思的實現(xiàn)形式的列舉，本發(fā)明的保護 范圍不應當被視為僅限于實施例所陳述的具體形式，本發(fā)明的保護范圍也包括本領域技術 人員根據(jù)本發(fā)明構思所能夠想到的等同技術手段。
【主權項】
1. 基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，包括以下步驟： 1) 制備超疏水二氧化鈦涂覆液:將二氧化鈦粉末與無水乙醇混合后在50~100Hz條件 下超聲配成的二氧化鈦懸浮液，再加入硅烷，繼續(xù)在50~100Hz條件下超聲混勻，然后室溫 下反應10~15h，得到超疏水二氧化鈦涂覆液;所述的無水乙醇的加入量以二氧化鈦質(zhì)量計 為0.01~0.02g/mL，所述硅烷與二氧化鈦懸浮液體積比為0.01~0.03:1; 2) 制備帶超疏水層的基體:利用旋涂機將超疏水二氧化鈦涂覆液分次旋涂到清洗干凈 的玻璃片基體表面，然后置于烘箱中100~120°處理1~2h，得到帶超疏水層的基體;所述的 超疏水二氧化鈦涂覆液的涂覆用量為〇. 1~〇. 2g/cm3; 3) 制備掩膜板:通過高分辨的激光打印機在膠片上打印用于透光的T形流道，制成掩膜 板，其中所述的T形流道由橫流道和垂直于橫流道中間位置的豎流道組成，所述的橫流道以 中間位置為軸對稱從兩端向中間位置劃分成若干相應對稱的區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布疏水 微圖案，所述的疏水微圖案所對應基體相應位置的位置為超疏水區(qū)，疏水微圖案之外的部 分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩端向中間位置所述區(qū)域內(nèi)疏水微圖案個數(shù)遞減，即相鄰疏 水微圖案間的間距逐漸遞增;所述的豎流道設計成楔形流道，末端作為檢測區(qū)； 4) 制備芯片:將掩膜板覆蓋在帶超疏水涂層的基體表面，然后開啟深紫外光(UV)光源， 紫外光透過所述的掩膜板，照射到超疏水涂層表面，被曝光區(qū)域由超疏水轉(zhuǎn)變?yōu)槌H水，而 基體剩余的部分仍為超疏水，即可將掩膜板上的T形流道復制到基體的超疏水表面上。2. 如權利要求1所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，其特征在于:所述的硅 燒為十八烷基二甲氧基硅烷。3. 如權利要求1所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，其特征在于:步驟1)中 的第一次超聲時間為30~60min，第二次超聲時間為10~20min。4. 如權利要求1所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，其特征在于:步驟1)中 的基體為玻璃片、金屬片或者棉織品片。5. 如權利要求4所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，其特征在于:所述的基 體的清潔方式為：將基體依次在丙酮、乙醇、去離子水中超聲10~20min，超聲頻率為50~ ΙΟ0Hzο6. 如權利要求1所述的基于SERS檢測的微流控芯片的制備方法，其特征在于:步驟2)中 的旋涂次數(shù)為五次，每次取50yL二氧化鈦涂覆液旋涂到洗凈的基體表面。7. 如權利要求6所述的基于SERS檢測的液滴自驅(qū)動式微流控芯片，其特征在于:所述的 旋涂機的轉(zhuǎn)速為1000~2000rad/min。8. 權利要求1~7任意一項權利要求所述的制備方法得到的基于SERS檢測的微流控芯 片，其特征在于:包括基體和設置在基體表面的T形親水流道，所述的T形親水流道由橫流道 和垂直于橫流道中間位置的豎流道組成，所述的橫流道以中間位置為軸對稱從兩端向中間 位置劃分成若干相應對稱的區(qū)域，每個區(qū)域均勻分布疏水微圖案，所述的疏水微圖案所對 應基體相應位置的位置為超疏水區(qū)，疏水微圖案之外的部分為超親水區(qū)；所述橫流道沿兩 端向中間位置所述區(qū)域內(nèi)疏水微圖案個數(shù)遞減，即相鄰疏水微圖案間的間距逐漸遞增，因 而在橫流道內(nèi)從兩端到中心形成疏水到親水的潤濕梯度，潤濕梯度能驅(qū)動液滴自發(fā)運動； 所述的豎流道設計成楔形流道，末端為檢測區(qū)，豎流道的楔形結(jié)構能驅(qū)動融合后的液滴繼 續(xù)運動，直到混合液滴運動到流道末端的檢測區(qū)。9. 如權利要求8所述的基于SERS檢測的液滴自驅(qū)動式微流控芯片，其特征在于:所述的 豎流道為楔形流道，其中楔形角為4~8°。10. 如權利要求9所述的微控流芯片在同時檢測液體待分析物中的應用，其特征在于： 所述的應用方法按以下步驟進行： (1) 配置1~ΙΟΟηΜ含待分析物的溶液和濃度為0.3~0.5mM的Au納米粒子溶液； (2) 在T形流道的橫流道其中一個流道進口處滴入5~10yL的Au納米粒子溶液，同時，在 另一個流道進口處滴入5~10yL的含待分析物的溶液； (3) 兩個液滴在橫流道交匯處融合，并在豎流道內(nèi)充分混合后運動到豎流道末端的制 定檢測區(qū)，在檢測區(qū)進行原位的拉曼檢測定，得到混合溶液的SERS光譜圖，從而可以確定含 待分析物的溶液中待分析物的濃度。
【文檔編號】G01N21/65GK105854964SQ201610271856
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年4月27日
【發(fā)明人】吳化平, 劉愛萍, 李吉泉, 丁浩, 柴國鐘, 朱凱, 曹彬彬, 吳兵兵
【申請人】浙江工業(yè)大學, 浙江理工大學