基于pdms三維微納天線的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種用于分子檢測的基于PDMS三維微納天線的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)，其采用PDMS微納天線結(jié)構(gòu)作為銀納米粒子載體，在銀納米粒子上覆蓋一層石墨烯，形成基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底，作為探測區(qū)；激光光源、光譜儀與光纖、SERS探針相連，并照射到微通道的探測區(qū)；微通道采用PDMS材料。本發(fā)明中石墨烯一方面保護(hù)銀納米粒子的氧化，另一方面可帶來更高的化學(xué)增強(qiáng)；PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)比表面積大，有效增加了銀納米粒子的填充效果，具有更多的拉曼增強(qiáng)“熱點(diǎn)”，有利于局域表面等離子共振效應(yīng)，拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度增大；系統(tǒng)都采用PDMS材料和光纖耦合，制作工藝簡單，成本低，便于實(shí)現(xiàn)分子的便攜式、在線檢測。
【專利說明】基于PDMS三維微納天線的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米光子學(xué)和微流控領(lǐng)域，具體涉及表面增強(qiáng)拉曼散射光譜技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著人類社會(huì)發(fā)展，面向人類健康的疾病，食品污染，環(huán)境毒素，毒品，以及軍事國防等國家安全的爆炸物痕量分子檢測需求日益增長，成為化學(xué)、物理、生命科學(xué)和納米科技領(lǐng)域快速增長的研究課題。分子在不同條件下吸收或發(fā)射的光譜波長、強(qiáng)度、偏振態(tài)等與該分子的結(jié)構(gòu)特征有著固有關(guān)系，因此，光譜方法被認(rèn)為是探測和研究痕量分子的有力工具。其中，拉曼光譜是一種光子入射到分子上發(fā)生的非彈性碰撞，其頻率改變量與分子固有振動(dòng)能級(jí)相對(duì)應(yīng)，能實(shí)現(xiàn)對(duì)分子樣品的“指紋”識(shí)別，具有很高的探測準(zhǔn)確度。但是，通常拉曼散射截面和熒光散射截面相比非常小，使得微弱的拉曼信號(hào)淹沒在強(qiáng)的熒光信號(hào)里面，靈敏度低，難以實(shí)現(xiàn)痕量分子探測。近年來，迅速發(fā)展起來的表面增強(qiáng)拉曼散射(surface-enhanced Raman scattering,簡稱SERS)光譜克服了傳統(tǒng)拉曼光譜存在的拉曼信號(hào)微弱、檢測靈敏度低、易受熒光干擾的缺點(diǎn)；具有不需要預(yù)處理、非侵入非破壞性等優(yōu)點(diǎn)。逐漸成為探測痕量甚至單分子特性、表征分子結(jié)構(gòu)有效的測試分析工具，在生命科學(xué)、食品安全、環(huán)境監(jiān)測、軍事科學(xué)等與國家安全和人民身體健康息息相關(guān)的領(lǐng)域中有著廣泛的應(yīng)用前景。在可見波段的金銀顆粒中，SERS電磁場增強(qiáng)因子達(dá)到IO14-1O15量級(jí)，和傳統(tǒng)拉曼光譜技術(shù)相比，信號(hào)大幅度提高。
[0003]前述SERS技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)使得它可以作為分子的識(shí)別探針，用于痕量分子檢測。目前基于SERS分子檢測系統(tǒng)主要有3種典型方式:一是將金屬納米粒子注入光子晶體光纖，進(jìn)行SERS信號(hào)探測；二是采用外加電場/磁場等主動(dòng)方式將金屬納米粒子吸附在微通道中，形成SERS微流控系統(tǒng)；三是采用納米橋接的微通道方式，采用被動(dòng)方式形成SERS微流控系統(tǒng)。但是，這些SERS系統(tǒng)使用較多的銀納米粒子，容易被空氣氧化；大多采用二維SERS基底與微流控技術(shù)結(jié)合，用于拉曼增強(qiáng)的“熱點(diǎn)”有限；多是基于實(shí)驗(yàn)室大型設(shè)備設(shè)計(jì)的、使用比較復(fù)雜，對(duì)分子樣品進(jìn)行檢測時(shí)，實(shí)時(shí)在線性和便捷性不好。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決銀納米粒子容易被空氣氧化的缺點(diǎn)，提出采用石墨烯的方式，一方面保護(hù)易被氧化的銀納米粒子，一方面有望得到好的化學(xué)增強(qiáng)；同時(shí)，為了解決SERS檢測系統(tǒng)體積大、價(jià)格昂貴，不利于在線檢測的缺點(diǎn)，提出基于光纖耦合的SERS微流控系統(tǒng)；并且，針對(duì)二維SERS基底用于拉曼增強(qiáng)的“熱點(diǎn)”有限的缺點(diǎn)，提出基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)作為拉曼散射基底。
[0005]本發(fā)明采用以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
[0006]本發(fā)明是一種基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)，所述微流控系統(tǒng)包括微通道基板、微通道、基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底、激光源、光譜儀、光纖和SERS光纖探針。所述微通道基板為玻璃板，作為微通道(采用PDMS (聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane)))的承載體，微通道采用PDMS材料，兩端封閉，并在緊挨封閉端上側(cè)分別設(shè)有待測分子入射小孔和待測分子出射小孔，微通道中設(shè)置有基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底作為探測區(qū)。
[0007]具體地，所述基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底包括PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)、銀納米粒子層和石墨烯層；所述銀納米粒子層是利用濺射和真空退火方法修飾在PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)表面，所述石墨烯層是通過轉(zhuǎn)移附著在銀納米粒子表面。
[0008]工作方式:待測分子由入射小孔進(jìn)入，流過探測區(qū)的三維拉曼散射基底，待測分子吸附到三維拉曼散射基底上；激勵(lì)光源通過光纖、SERS探針，照射吸附有待測分子的三維拉曼散射基底，待測分子的散射信號(hào)由SERS探針、光纖導(dǎo)出到光譜儀，完成待測分子拉曼信號(hào)檢測。微通道內(nèi)可以注入液體分子，也可以注入氣體分子，進(jìn)行液體、氣體分子檢測。
[0009]本發(fā)明的顯著優(yōu)點(diǎn)在于:
[0010]1、采用了石墨烯與銀納米粒子層結(jié)合，一方面保護(hù)銀納米粒子的氧化，另一方面可帶來更高的化學(xué)增強(qiáng)；
[0011]2、采用PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)，比表面積大，有效增加了銀納米粒子的填充效果，具有更多的拉曼增強(qiáng)“熱點(diǎn)”，有利于局域表面等離子共振效應(yīng)，拉曼散射信號(hào)強(qiáng)度增大，克服了現(xiàn)有SERS微流控多采用二維SERS基底拉曼增強(qiáng)“熱點(diǎn)”少的缺點(diǎn)；
[0012]3、微通道和三維微納天線結(jié)構(gòu)都采用PDMS材料，和光纖耦合，制作工藝簡單成本低，相比較于現(xiàn)有SERS需要大型實(shí)驗(yàn)室設(shè)備的缺點(diǎn)，便于實(shí)現(xiàn)分子的便攜式、在線檢測。
[0013]可見本發(fā)明從理論上、實(shí)現(xiàn)可行性上都將對(duì)表面拉曼散射光譜的應(yīng)用提供一種便攜式在線檢測方法。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015]圖2是本發(fā)明的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)拉曼散射基底的結(jié)構(gòu)不意圖；
[0016]圖3是本發(fā)明的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)拉曼散射基底的制備流程不意圖；
[0017]圖4 (a)和圖4(b)是本發(fā)明的微通道的示意圖。
[0018]圖中:1.待測分子入射小孔，2.微通道，3.基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼散射基底(作為探測區(qū))，3-1.PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)，3-2.銀納米粒子層，3-3.石墨烯層，4.待測分子出射小孔，5.激勵(lì)光源，6.拉曼光譜儀，7.光纖，
8.SERS光纖探針，9.微通道基板。
【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例及附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述，但本發(fā)明的實(shí)施方式不限于此。[0020]參見圖1，本發(fā)明涉及的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)包括:微通道基板9、基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底3、激勵(lì)光源5、光譜儀6、光纖7和SERS光纖探針8。
[0021]參見圖4 Ca)和圖4(b)，微通道基板9采用玻璃板，微通道2設(shè)置于其上，微通道是采用軟光刻方法制作而得，材料使用PDMS。微通道2的兩端封閉，并緊挨封閉端上側(cè)分別加工有待測分子入射小孔1和待測分子出射小孔4，基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底3粘接在微通道2中，作為探測區(qū)。激勵(lì)光源5和光譜儀6分別通過光纖7連接SERS光纖探針8，SERS光纖探針位于探測區(qū)上方。微通道制備時(shí):先制備微通道底部部分，即探測區(qū)部分的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯地三維微納天線結(jié)構(gòu)，再制備微通道側(cè)壁和上側(cè)帶有入口和出口部分，再將這兩部分粘合在玻璃基板上。
[0022]參見圖2，本發(fā)明的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼散射基底包括=PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)3-1、銀納米粒子層3-2，石墨烯層3-3，其制作方法參見圖3:首先采用納米壓印方法制備PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)；再利用濺射和真空退火方法在將銀納米粒子修飾在PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)表面；再將石墨烯轉(zhuǎn)移到銀納米粒子上，從而形成基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼散射基
底 。
[0023]分子檢測時(shí)，待測分子由待測分子入射小孔I進(jìn)入微通道2，流過探測區(qū)域的基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼散射基底3，待測分子吸附在三維拉曼散射基底3上，激勵(lì)光源5通過光纖7和SERS光纖探針8入射到探測區(qū)域，由于銀納米粒子3-2的表面等離子共振特性，待測分子的拉曼散射信號(hào)由SERS光纖探針8和光纖7導(dǎo)出到光譜儀6，通道內(nèi)的待測分子經(jīng)過三維表面增強(qiáng)拉曼散射基底3后，由待測分子出射小孔4流出，完成分子檢測。
[0024]本發(fā)明并不局限于上述實(shí)施方式，如果對(duì)發(fā)明的各種改動(dòng)或變形不脫離本發(fā)明的精神和范圍，倘若這些改動(dòng)和變形屬于本發(fā)明的權(quán)利要求和等同技術(shù)范圍之內(nèi)，則本發(fā)明也意圖包含這些改動(dòng)和變形。
【權(quán)利要求】
1.基于PDMS三維微納天線的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)，其特征在于:所述微流控系統(tǒng)包括微通道基板、微通道、基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底、激光源、光譜儀、光纖和SERS光纖探針；所述微通道位于微通道基板上，微通道采用PDMS材料，其兩端封閉，并緊挨封閉端上側(cè)分別設(shè)待測分子入射小孔和待測分子出射小孔，基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底設(shè)置在微通道中，作為探測區(qū)，所述激光源和光譜儀分別通過光纖連接SERS探針，SERS探針位于探測區(qū)上方，并照射到微通道的探測區(qū)； 所述基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的拉曼散射基底包括PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)、銀納米粒子層和石墨烯層；所述銀納米粒子層是利用濺射和真空退火方法修飾在PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)表面，所述石墨烯層是通過轉(zhuǎn)移附著在銀納米粒子表面；待測分子由入射小孔進(jìn)入，流過探測區(qū)的拉曼散射基底，待測分子吸附到拉曼散射基底上，激勵(lì)光源通過光纖、SERS探針，照射吸附有待測分子的拉曼散射基底，待測分子的散射信號(hào)由SERS探針、光纖導(dǎo)出到光譜儀，完成待測分子拉曼信號(hào)檢測。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于PDMS三維微納天線的表面增強(qiáng)拉曼散射微流控系統(tǒng)，其特征在于:基于PDMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)的制作方法是首先采用納米壓印方法制備PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)；再利用濺射和真空退火方法在將銀納米粒子修飾在PDMS三維微納天線結(jié)構(gòu)表面；再將石墨烯轉(zhuǎn)移到銀納米粒子上，從而形成基于I3DMS/銀納米粒子/石墨烯的三維微納天線結(jié)構(gòu)表面增強(qiáng)拉曼散射基底。
【文檔編號(hào)】G01N21/65GK103785492SQ201410064274
【公開日】2014年5月14日 申請(qǐng)日期:2014年2月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月25日
【發(fā)明者】朱永, 張潔, 張曉蕾, 李鈞穎 申請(qǐng)人:重慶大學(xué)