專利名稱：具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片及制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微流控芯片，特別是涉及一種具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
微流控芯片是一類具有微管道網(wǎng)絡(luò)的微型反應(yīng)或分析系統(tǒng)，通常由玻璃或高分子材料，如聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)等，經(jīng)過刻蝕或塑壓以及鍵合等工藝流程制備而成。其特點(diǎn)是具有直徑在200μm以下的微管道。由于尺寸小，微流控芯片具有使用成本低、試劑耗量小、快速高效、易集成和自動化等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境制藥等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。但是，由于微流控芯片的尺寸小，這也造成了檢測的困難。因此，檢測系統(tǒng)是決定微流控芯片適用性的關(guān)鍵部分。目前微流控芯片使用較多的檢測方法有激光誘導(dǎo)熒光(LIF)、紫外吸收、電化學(xué)和質(zhì)譜等，其中LIF的應(yīng)用最為廣泛。但由于多數(shù)樣品本身并不具有熒光性且難以進(jìn)行熒光修飾，其應(yīng)用范圍較為狹窄，并且無法得到樣品詳細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。紫外吸收由于光程短，靈敏度差，信息量也不豐富，因而應(yīng)用較少。電化學(xué)檢測雖容易集成，成本低，但應(yīng)用范圍不廣，信息量太少。質(zhì)譜信息量豐富，但無法進(jìn)行原位的檢測。拉曼光譜技術(shù)能從分子水平得到基團(tuán)和化學(xué)鍵以及微環(huán)境對樣品結(jié)構(gòu)影響的信息，可實時檢測樣品并獲得其指紋圖譜，且其信號不會被水干擾，因此特別適合用于生物分子的檢測。但拉曼信號特別弱，應(yīng)用時需要通過一些方法進(jìn)行增強(qiáng)，通常使用的增強(qiáng)方法有兩類，一類為共振增強(qiáng)拉曼，即以與待檢測分子吸收光同波長的激光進(jìn)行激發(fā)，使待測分子發(fā)生共振，從而得到強(qiáng)的拉曼信號，此類方法對激光光源的要求較高，且一次只能用于檢測相同吸收的分子。另一類增強(qiáng)拉曼信號的方法則是使用粗糙的金屬表面，即表面增強(qiáng)拉曼光譜(SERS)。在待檢測的體系中加入粗糙的幣族金屬(如金，銀或銅)或其納米粒子，可以大大提高拉曼光譜的信號。因此，制備具有增強(qiáng)拉曼光譜活性的粗糙表面是實現(xiàn)SERS檢測的前提條件。
目前國內(nèi)外主要通過以下方法在微流控芯片中制備具有增強(qiáng)拉曼光譜活性的粗糙表面(1)在微流控芯片中通入幣族金屬納米粒子的懸浮溶液，如Taehan Park(Taehan Park，Lab Chip，2005，5437-442)報道的將銀溶膠和兩種寡核苷酸的混合物灌入溝道，混合后進(jìn)行檢測。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以得到新鮮的表面，但均勻的金屬納米粒子的制備和儲存都比較困難，且很容易聚集沉降不穩(wěn)定，應(yīng)用范圍受到很大限制；(2)使用復(fù)雜的電子工藝制備粗糙的芯片，再使用電子束濺射非常薄的金屬層。如Gang L.Liu等(Gang L Liu，et al，Appl.Phys.Lett.，2005，87，074101)報道的使用光刻技術(shù)制備局部帶有半球狀突起的PDMS，然后用電子束蒸發(fā)局部沉積20nm銀薄膜，得到具SERS活性基底的微流控芯片。這種方法，需要昂貴的設(shè)備和繁雜的步驟。
綜上所述，以上所列的方法要么容易沉降不穩(wěn)定，要么工藝復(fù)雜，成本較高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有的在微流控芯片使用表面增強(qiáng)拉曼檢測需要的活性基底的問題，提供一種在部分或全部具有SERS活性基底的粗糙金屬薄膜的微流控芯片及其制備方法。本發(fā)明采用的技術(shù)方案是在平滑的微流控芯片通道(溝道或管道)的全部或部分內(nèi)壁上濺射或組裝幣族(金，銀，銅)薄膜，再通過電化學(xué)或化學(xué)方法粗糙化，制備具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
本發(fā)明所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片為在微流控芯片上設(shè)有至少一條微通道，在微通道的全部或部分內(nèi)壁表面有一層具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性的粗糙金屬薄膜。
所述的芯片的材料為玻璃，聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚甲基丙稀酸甲酯(PMMA)等；金屬為金，銀或銅等；所述的微通道為微溝道或微管道，微通道的直徑小于200μm。在芯片上可設(shè)有至少2個儲液池，儲液池與微通道相通。所述的薄膜為致密的固體薄膜或由金屬納米粒子組裝成的金屬顆粒單層薄膜或多層薄膜。所述的粗糙為金屬納米粒子本身的粗糙度或經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)處理的粗糙度。
所述的薄膜為金，銀或銅的連續(xù)均勻薄膜；所述的薄膜為金，銀或銅納米粒子組裝成的薄膜。所述的金，銀或銅的納米粒子的直徑為5～500nm。
所述的表面增強(qiáng)拉曼光譜活性為可以使表面吸附物種的拉曼信號強(qiáng)度較光滑表面增加10倍以上。
本發(fā)明所述的具有SERS活性基底的粗糙金屬薄膜的微流控芯片的制備方法其步驟為1)利用MEMS或激光加工等技術(shù)，在玻璃或高分子材料薄片上加工凹槽；2)在凹槽的全部或部分區(qū)域，通過物理蒸發(fā)、濺射或化學(xué)沉積的方法結(jié)合掩膜技術(shù)制備幣族金屬薄膜，所述的幣族金屬選自金，銀或銅；3)通過化學(xué)法或電化學(xué)的方法將幣族金屬薄膜粗糙化；
4)將帶凹槽的薄片與帶孔洞的薄片進(jìn)行熱鍵合或等離子體活化鍵合，得到具有完整密閉微溝道的微流控芯片。
所述步驟3)和4)兩步聚的次序可以顛倒。
如使用金屬納米粒子則步驟2)和3)合為一步驟在凹槽的全部或部分區(qū)域，通過化學(xué)或物理組裝的方法結(jié)合掩膜技術(shù)制備幣族金屬納米粒子的組裝薄膜。所述的金屬納米粒子為直徑為1～1000nm的金屬顆粒。
所述的粗糙金屬薄膜的化學(xué)法如下在有金屬薄膜的微流控芯片通道中加入0.1～10mol/L的硝酸，浸泡1～60min后將酸溶液沖洗干凈。
所述的粗糙金屬薄膜的電化學(xué)法如下對于銀薄膜，在0.1～10mol/L的KCl溶液中，首先控制電位在-0.25V，然后階躍至0.18V，并在此電位下停留5～60s后，以較慢的速度回到-0.25V，直到表面全部被還原，最后得到淡黃色的絨毛狀的表面。對于金薄膜，則以0.1～10V/s的掃描速度從-0.3V掃至1.25V，然后停留1～30s，再以0.1～10V/s的掃描速度掃至-0.3V，停留1～100s，循環(huán)1～50次，得到深棕色的具有高SERS活性的粗糙金表面。至于銅薄膜，在0.1～10mol/L的KCl溶液中，在電位-0.4V至0.4V之間進(jìn)行3～60次階躍后在-0.4V電位下取出電極可得到棕色的活性表面。
與現(xiàn)有的在微流控芯片使用表面增強(qiáng)拉曼檢測需要的活性基底的方法相比，本發(fā)明所需設(shè)備簡單，操作簡便，所制備的SERS活性基底活性高，能得到很強(qiáng)的拉曼信號。


圖1為實施例1制備的銀薄膜的掃描電鏡圖。
圖2為實施例1制備的具有SERS活性粗糙銀表面的PDMS微流控芯片實物照片。
圖3為實施例1制備的PDMS微流控芯片的三處粗糙銀膜檢測得到的SERS光譜圖(分別為苯胺和苯甲醛及兩者反應(yīng)產(chǎn)物的SERS信號，若沒有銀膜，則不能檢測到SERS信號)。
具體實施例方式
以下實施例將結(jié)合附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
實施例1將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在標(biāo)準(zhǔn)清洗過的玻璃片上。使用JS2S-80D型濺射臺(北京創(chuàng)威納公司產(chǎn))，采用直流旋轉(zhuǎn)濺射模式，依次以150W的功率濺射鈦薄膜7min，160W的功率濺射銀薄膜15min。浸入1mol/L KCl溶液中，用CHI631B電化學(xué)工作站(上海辰華)對表面銀薄膜進(jìn)行電化學(xué)氧化還原(ORC)粗糙，具體過程為首先恒定電位在-0.25V 5s，然后階躍至0.18V，在此電位停留10s，以0.01V/s的速度緩慢回到-0.25V，在-0.25V下充分還原20s，直到表面全部被還原為淡黃色絨毛狀。揭掉掩模，得到局部帶有粗糙基底的玻璃片。在PDMS蓋片上用打孔器加工出3個儲液池；用CO2-50F激光打標(biāo)機(jī)(北京創(chuàng)科源公司產(chǎn))加工凹槽。將蓋片與帶有粗糙基底的玻璃片置于GP08-2/QJ型雙管等離子體去膠機(jī)真空腔內(nèi)，1500V下轟擊15s，使蓋片和玻璃片表面充分活化。將PDMS蓋片與玻璃片貼合在一起，靜置5min，鍵合后即得到一塊具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
實施例1所制備的銀薄膜的掃描電鏡圖參見圖1，所制備的具有SERS活性粗糙銀表面的PDMS微流控芯片實物照片參見圖2，所制備的PDMS微流控芯片的三處粗糙銀膜檢測得到的SERS光譜圖參見圖3(分別為苯胺和苯甲醛及兩者反應(yīng)產(chǎn)物的SERS信號，若沒有銀膜，則不能檢測到SERS信號)。
實施例2將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在新鮮剝離的PDMS蓋片上。采用直流旋轉(zhuǎn)濺射模式，依次以150W的功率濺射鈦薄膜7min，150W的功率濺射金薄膜10min。浸入0.1mol/L KCl溶液中，對表面金薄膜進(jìn)行ORC粗糙，具體過程首先恒定電位在-0.3V，然后以1.0V/s的速度階躍至1.2V，并在此電位停留1.5s，以0.5V/s的速度回到-0.3V，在-0.3V下充分還原30s。將上述過程循環(huán)20次后在-0.3V電位下取出即可得到深棕色的具有高SERS活性的表面。揭掉掩模，得到局部帶有粗糙金基底的PDMS基片。在PDMS蓋片上用打孔器加工出3個儲液池；用激光打標(biāo)機(jī)加工凹槽。將PDMS蓋片與帶有粗糙基底的PDMS基片置于等離子體去膠機(jī)真空腔內(nèi)，1500V下轟擊15s，使PDMS蓋片和PDMS基片表面充分活化。將PDMS蓋片與PDMS基片貼合在一起，靜置5min，鍵合后即得到一塊具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
實施例3將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在標(biāo)準(zhǔn)清洗過的玻璃片上。采用直流旋轉(zhuǎn)濺射模式，依次以150W的功率濺射鈦薄膜7min，150W的功率濺射銅薄膜10min。浸入0.1mol/L KCl溶液中，在電位-0.4V至0.4V之間階躍5次后在-0.4V電位下取出即可得到棕色的SERS活性表面。揭掉掩模，得到局部帶有粗糙銅基底的玻璃基片。用激光打標(biāo)機(jī)在通過濕法腐蝕法加工有凹槽的玻璃蓋片上加工3個儲液池。將蓋片與帶有粗糙基底的玻璃基片貼合后放入高溫爐中，以10℃/min的速度升溫至620℃，保溫3.5h，再以10℃/min的速度降溫，即得到一塊具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
實施例4～6
將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在標(biāo)準(zhǔn)清洗過的玻璃片上。采用直流旋轉(zhuǎn)濺射模式，依次以150W的功率濺射鈦薄膜7min，一定的功率和時間濺射所需的幣族金屬(金，銀，銅)。浸入一定濃度的硝酸溶液中反應(yīng)一定時間，取出，用3次水浸洗(具體如表1所示)。揭掉掩模，得到局部帶有SERS活性基底的玻璃片。在PDMS蓋片上用打孔器加工進(jìn)樣孔；用CO2-50F激光打標(biāo)機(jī)(北京創(chuàng)科源公司產(chǎn))加工凹槽。將蓋片與帶有粗糙基底的玻璃片置于GP08-2/QJ型雙管等離子體去膠機(jī)真空腔內(nèi)，1500V下轟擊15s，使蓋片和玻璃片表面充分活化。將PDMS蓋片與玻璃片貼合在一起，靜置5min，鍵合后即得到一塊具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
表1

實施例7將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在PMMA上。浸入5％的聚賴氨酸水溶液中5h，取出用高純水沖洗后放入銀溶膠中自組裝12h，再取出用高純水沖洗，氮?dú)獯蹈桑浔砻嫘纬梢粚幼仙你y納米粒子。揭掉掩模，得到局部組裝有銀納米粒子的PMMA基片。將已用激光打標(biāo)機(jī)加工凹槽和儲液池的PMMA蓋片在去離子水中超聲清洗5min，超純水沖洗，吹干，再與PMMA基片(超純水沖洗，吹干)貼合后放入層壓機(jī)中，施加適當(dāng)?shù)膲毫Γ?0℃下，恒溫恒壓10min，冷卻至室溫后取出，即得到一塊具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片。
實施例8將打有3個孔(孔徑為2mm)的PDMS掩模片貼在標(biāo)準(zhǔn)清洗過的玻璃片上。將具有凹槽的玻璃片浸入耦聯(lián)劑溶液(3-巰基丙基-三甲基硅烷∶三次水∶異丙醇＝1∶1∶40)中24h后取出，分別用異丙醇、三次水清洗，氮?dú)獯蹈桑?10℃保溫30min，取出在三次水中超聲5min，氮?dú)獯蹈?。放入金溶膠中，靜置12h后取出，三次水中超聲5min，氮?dú)獯蹈?。其余步驟與實施例1類似。
權(quán)利要求
1.具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于為在微流控芯片上設(shè)有至少一條微通道，在微通道的全部或部分內(nèi)壁表面有一層具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性的粗糙金屬薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的芯片為玻璃芯片，聚二甲基硅氧烷芯片或聚甲基丙稀酸甲酯芯片。
3.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的金屬為金，銀或銅。
4.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的微通道為微溝道或微管道，微通道的直徑小于200μm。
5.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于在芯片上設(shè)有至少2個儲液池，儲液池與微通道相通。
6.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的薄膜為致密的固體薄膜或由金屬納米粒子組裝成的金屬顆粒單層薄膜或多層薄膜。
7.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的粗糙為金屬納米粒子本身的粗糙度或經(jīng)化學(xué)或電化學(xué)處理的粗糙度。
8.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片，其特征在于所述的薄膜為金，銀或銅的連續(xù)均勻薄膜；或金，銀或銅納米粒子組裝成的薄膜，所述的金，銀或銅的納米粒子的直徑為5～500nm。
9.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)利用MEMS或激光加工技術(shù)，在玻璃或高分子材料薄片上加工凹槽；2)在凹槽的全部或部分區(qū)域，通過物理蒸發(fā)、濺射或化學(xué)沉積的方法結(jié)合掩膜技術(shù)制備幣族金屬薄膜，所述的幣族金屬選自金，銀或銅；3)通過化學(xué)法或電化學(xué)的方法將幣族金屬薄膜粗糙化；4)將帶凹槽的薄片與帶孔洞的薄片進(jìn)行熱鍵合或等離子體活化鍵合，得到具有完整密閉微溝道的微流控芯片。
10.如權(quán)利要求1所述的具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片的制備方法，其特征在于包括以下步驟1)利用MEMS或激光加工技術(shù)，在玻璃或高分子材料薄片上加工凹槽；2)在凹槽的全部或部分區(qū)域，通過化學(xué)或物理組裝的方法結(jié)合掩膜技術(shù)制備幣族金屬納米粒子的組裝薄膜，所述的金屬納米粒子為直徑為1～1000nm的金屬顆粒；3)將帶凹槽的薄片與帶孔洞的薄片進(jìn)行熱鍵合或等離子體活化鍵合，得到具有完整密閉微溝道的微流控芯片。
全文摘要
具有表面增強(qiáng)拉曼光譜活性基底的微流控芯片及制備方法，涉及一種微流控芯片，提供一種在部分或全部具有SERS活性基底的粗糙金屬薄膜的微流控芯片及制備方法。在微流控芯片上設(shè)有至少一條微通道，在微通道的全部或部分內(nèi)壁表面有一層具有SERS活性的粗糙金屬薄膜。制備時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區(qū)域，通過物理蒸發(fā)、濺射或化學(xué)沉積的方法結(jié)合掩膜技術(shù)制備幣族金屬薄膜；通過化學(xué)法或電化學(xué)的方法將幣族金屬薄膜粗糙化；將帶凹槽的薄片與帶孔洞的薄片進(jìn)行熱鍵合或等離子體活化鍵合即得到具有完整密閉微溝道的微流控芯片。所需設(shè)備簡單，操作簡便，所制備的SERS活性基底活性高，能得到很強(qiáng)的拉曼信號。
文檔編號G01N21/65GK1811389SQ20061000876
公開日2006年8月2日 申請日期2006年2月10日 優(yōu)先權(quán)日2006年2月10日
發(fā)明者周勇亮, 郝葦葦, 張維, 任斌 申請人:廈門大學(xué)