微流控SERS及其在生物医学应用的研究进展

微流控芯片以其对微量样品的精确操控能力而引起特别关注,表面增强拉曼光谱(SERS)作为一种超灵敏的光谱检测技术近年来在痕量检测上应用广泛。微流控芯片与SERS相结合的系统可对微量生物样品进行无损、快速、高灵敏度且高通量的检测分析,在生物医学领域有巨大的应用潜力,是当前的研究热点之一。本文介绍了微流控SERS系统近年的发展情况,包括微流控芯片的制作加工和流体操控,以及微流控芯片中SERS基底的集成;并重点介绍了近年来SERS微流控芯片系统在生物医学上的应用,如生物分子的检测、细胞分析、药物监测和筛选、疾病诊断,以及在环境和食品健康安全方面的检测应用。     

微流控技术制备荧光纳米材料研究进展EI北大核心CSCD

荧光纳米材料因其独特的光学性能而被广泛用于传感、生物成像、离子检测等领域。微流控是一种能在微尺度上精确控制和操控流体的技术,近年来在有机合成、荧光材料制备、细胞检测、药物筛选等领域展现出重要的应用价值。本文以荧光纳米材料的制备为切入点,综述了微流控在该领域的研究进展。首先,根据反应器特征结构阐述了芯片微反应器、管式微反应器和离心式微反应器的特点及原理;进一步地,归纳整理了不同类型荧光纳米材料制备过程的典型例子,包括半导体纳米颗粒、碳点、钙钛矿纳米颗粒、稀土纳米材料、金属及氧化物复合纳米颗粒;最后,立足研究现状指出了该领域的挑战及研究方向。     

真菌鉴别和检测的SERS光谱技术研究进展

真菌是一种广泛存在于自然界的病原微生物,具有细胞核、细胞壁等结构,可以引起动、植物和人类的多种疾病。真菌感染是临床上常见的感染性疾病之一,使得近年来针对真菌的高效检测及真菌相关领域的研究备受关注。目前真菌的传统检测方法主要有培养、镜检与分子生物学检测法等,均具有操作复杂、耗时等缺点。表面增强拉曼散射(SERS)技术以其不受水分子干扰、能反应分子指纹信息、检测迅速等特点在真菌的检测与鉴别领域逐渐发挥出明显的优势。在简要介绍真菌的结构特点及真菌常用的检测方法基础之上,主要针对拉曼光谱(Raman spectrum)/SRES技术在真菌检测和鉴别中的应用进行调研和讨论。首先通过对Raman/SERS技术的特点以及真菌的结构特征进行解析,根据调研Raman/SERS技术用于真菌检测的相关文献,分析了SERS技术用于真菌检测的可行性,提出SERS技术在真菌检测时会面临检测灵敏度低、信号复杂、选择性和特异性差以及信号重现性和稳定性不佳等难点。为解决以上难题,分析了SERS的增强模式,重点针对SERS的纳米增强介质材料、SERS标签(SERS tag)的信号放大效应以及SERS光谱分析技术与微流控芯片分析技术结合等SERS分析新进展,予以了系统地综述和讨论。通过纳米材料选择和纳米微结构的构建,SERS增强介质所产生的SERS增强效应在真菌鉴别以及临床疾病快速诊断中显示出巨大的发展潜力;基于SERS tag产生的信号放大机制,可以有效提高真菌SERS检测的灵敏度、特异性和重现性;在微流控芯片中设计和集成SERS增强纳米微结构,构建基于SERS tag 的信号放大策略,开展针对真菌的快速高效测试方法研究,更有望实现真菌样本的高通量及高内涵SERS检测,其在真菌的鉴别和检测上显示出巨大的研究价值和应用前景。     

表面增强拉曼光谱在食源性致病微生物检测中的应用研究

食源性致病微生物导致的食源性疾病已成为全球化的公共卫生问题。快速、有效地检测食源性致病微生物是实现食源性疾病预防与控制的关键环节，也是保障食品安全的技术关键。表面增强拉曼光谱(SERS)具有简单、快速、灵敏度高等优点，在食品安全、生物医学、环境监控等领域展现出良好的应用前景。介绍了近年来SERS在食源性致病微生物检测中的应用研究进展。对SERS技术概况、SERS增强理论及SERS增强基底进行了简要介绍，重点回顾了SERS在食源性致病微生物检测中的应用和发展现状。在食品安全分析方面，利用SERS与模式识别方法相结合对食品中常见食源性致病微生物能实现快速、有效鉴别，部分研究已应用于不同食品样品的分析，体现了SERS作为“指纹图谱”的分析优势；在医学诊断方面，SERS可对病理样品(如血液、尿液等)中食源性致病微生物进行快速检测，缩短了样本分析时间，使食源性疾病的快速诊断成为可能；随着微流控技术的发展，微流控平台结合SERS技术被称为“芯片实验室”应用于食源性致病微生物的检测，可提高分析的可控性，稳定性，特异性和灵敏度。通过对比分析，发现不同研究可采用不同分离方法、不同基底、不同目标捕获方式等实现了食源性致病微生物的检测，展示了不同方法间的差异性。已有研究表明了SERS在食源性致病微生物检测中应用可克服传统方法耗时等缺点，实现灵敏快速分析，为食品安全实时监控，食源性疾病即时诊断提供了有效的分析工具。同时，指出了SERS技术应用于食源性致病微生物分析依然面临很大挑战，(1)大多数研究并没有聚焦于实际样品，而标准培养液和实际样品的SERS检测存在较大差异，实际样品组分会对SERS响应产生干扰；(2)不同方法结果有较大差异，主要是由于纳米增强基底差异，吸附方式原理的差异，稳定性的差异等，因此需要更多深入研究进一步优化条件；(3)期望建立标准化的SERS方法替代传统技术，充分展示SERS作为新兴分析工具快速、灵敏、简捷的优势应用于食品安全，医学诊断等领域。将来，随着研究的深入及相关学科的发展，SERS作为极具潜力的快速分析工具，将在食品安全，生物医学等领域具有更广阔的应用前景。     

基于微流控芯片的钾盐溶液太赫兹光谱特性研究

许多生物分子的振动及转动能级都在太赫兹波段,因此太赫兹时域光谱技术可以用来探测生物分子。并且由于太赫兹波的光子能量较低,仅为毫电子伏量级,在探测过程中不会破坏生物样品,所以太赫兹时域光谱技术在未来生化检测等研究领域具有非常广泛的应用前景。研究表明,大多数生物分子需要在液体环境中才能充分发挥其生物活性,然而水溶液中的氢键在太赫兹波段会产生强烈的吸收。另外,水分子是极性分子,太赫兹波对极性分子也有很强的共振吸收,这使得利用太赫兹时域光谱技术检测液体环境中的活性生物分子非常困难。因此,许多研究团队将太赫兹时域光谱技术与微流控技术相结合,以减少各种因素对生物分子检测的影响。微流控技术是通过减小微流控芯片中液体池的深度来减少液体样品与太赫兹波的作用距离,从而减少水溶液对太赫兹波的吸收。使用对太赫兹波的透过率高达95%的环烯烃共聚物(COC:Zeonor 1420R)为材料制作了双层微流控芯片,该微流控芯片内部液体池的长度和宽度均为4 cm,深度为50μm。此外,由于在电解质溶液中存在大量自由移动的阴阳离子,所以为了探究电解质溶液中自由移动的阴阳离子对太赫兹透射特性的影响,使用外加电场装置对注入液...     

基于双波长像面数字全息显微的微通道检测

针对微流控芯片通道三维形貌的可视化测量需求,搭建了一套反射式离轴双波长像面数字全息显微测量系统。首先,利用分辨率靶和标准样片对系统的横向、纵向分辨率和放大倍数进行标定实验,结果表明双波长全息显微系统在横向宽度及纵向深度测量中具有较好的准确性和可行性。然后,利用该系统分别对由PDMS材料制成的直通道、圆形小室结构微流控芯片以及硅基底微流控芯片通道进行三维形貌检测,并得到定量结果：直通道结构深度为48.6μm,宽度为75.8μm;圆形小室微通道深度为48.5μm,宽度为76.6μm;硅基底微流控芯片测量得到通道深度为61.6μm。上述结果与白光干涉仪的测量结果具有良好的一致性,说明双波长全息显微系统具有较高的可靠性和准确性,可为微流控芯片微通道检测提供新的成像检测方法。     

银纳米粒子的SERS效应和SEF效应在微流控芯片光学检测中的应用

银纳米离子的SERS技术和SEF技术的信号检测灵敏度非常高,可以用在微流控芯片的定量分析中。为了提高微流控芯片光学检测技术的检测精度,提出一种在微通道中添加银纳米粒子来增强SYBR GreenⅠ拉曼和荧光信号的方法,并对该方法的原理和增强效果进行了研究。首先,利用准分子激光器在PMMA基板上直写刻蚀出宽200 μm、深68 μm的微通道,接着将制备的银前体溶液加入微通道,通过加热制备出表面增强拉曼（SERS）和表面增强荧光（SEF）基板,接下来对添加银纳米粒子前后的拉曼和荧光信号分别进行对比,进一步研究了微通道中不同浓度银纳米粒子对SYBR GREEN I的拉曼和荧光信号增强效果。添加银纳米粒子后,表面增强拉曼（SERS）实验的增强因子为3.5×10³,添加银纳米粒子的样品的荧光信号强度与不含银纳米粒子样品的荧光信号强度相比,约增加了1倍。结果表明,在微通道中检测SYBR Green I时通过增加银纳米粒子显著地增强了拉曼和荧光信号,这种方法可以用在以SYBR GreenⅠ做染料的微流控芯片检测技术中。     

基于微流控拉曼系统的癌胚抗原检测研究

癌胚抗原(CEA)是医学上使用最广泛的肿瘤标志物之一,连续监测癌胚抗原水平可用于肿瘤治疗的疗效观察及预后判断。在癌症发生初期、身体没有明显临床症状下对体内癌胚抗原的检测是十分必要的。考虑到SERS作为分子指纹光谱的高灵敏度、高特异性等优势,同时利用微流控平台使反应集中、快速且节省样品等特点,在此我们研究了基于表面增强拉曼散射与微流控技术结合检测癌胚抗原的方法,以实现对癌胚抗原的实时、快速检测。     

聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制

生物分析是微流控芯片分析最具进一步发展及商品化前景的分支领域之一。报道了基于聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控芯片DNA分析系统的研制。采用简易热压法自制的PMMA芯片,以小型光纤式激光诱导荧光为检测器,以四触点可切换1 800 V高压电源为电驱动系统,以2%羟乙基纤维素(HEC)为筛分介质,通过用于DNA分析的TO-PRO-3荧光染料和激光诱导荧光检测器670 nm截止滤光片的选择,构建了微流控芯片DNA分析系统。芯片凝胶电泳分离φX174-HaeⅢRF DNA片段, 以603 bp片段计算理论塔板数n为1.14×106·m-1, 271/281 bp的分离度R为1.2。建立的PMMA微流控芯片DNA分析系统具有制作和运行成本低,芯片可重复使用,分析重现性好等特点。该研究可用于制作微型化便携式DNA分析仪,应用于临床诊断、疾病筛查等领域。     

微流控等离子体:新型过程强化技术

作为一种新型高效的过程强化技术,微流控等离子体具备微流控及等离子体技术优势,能够提高反应过程的均一性及稳定性,控制反应接触界面,在增加活性物质的密度的同时避免物种的快速猝灭。介绍了微流控等离子体中的活性组分及相应的表征手段,归纳了几种反应器结构并对比了优缺点。系统阐述了微流控等离子体过程强化技术在化学合成、表面改性、材料制备、污染物检测和生物医学领域中的应用,并立足于当前研究现状对该技术的发展趋势进行讨论与展望。     

Water-assisted femtosecond laser ablation for fabricating three-dimensional microfluidic chips

When the femtosecond laser focused in the water, the breakdown will be induced. The generated high-speed jet and shock wave can be used to etch silica glass for fabricating three-dimensional (3D) microfluidic chips. We present a simple and practical method to produce 3D multilayer microfluidic chips in silica glass. This method offers high design flexibility and fabricating feasibility. We also introduce a convenient cleaning method for diluting and ejecting the ablated debris from microchannel. Therefore, the femtosecond laser induced high-speed jet and shock wave can be used to fabricate complex microfluidic chips in silica glass. Experimental results show that the diameter of microchannel is uniform and the complexity of the microfluidic chip is under control. As a proof of principle, we demonstrate the feasibility of the fabricating process by using the water-assisted femtosecond laser ablation.     

Microfluidic chip-inductively coupled plasma mass spectrometry for trace elements and their species analysis in cells

Abstract

Accurate identification and quantification of trace elements and their species in cells is an important prerequisite for the exploration of their physiological function and related mechanisms of process involving trace elements/species in human body. Inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS) is a powerful analytical instrument for trace elements detection, while it still suffers from insufficient limits of detection, interference from complex cell matrix, and incompatible sample consumption in cells analysis. Microfluidic chips which possess advantages of low sample/reagent consumption, rapid analysis speed and high spatial resolution provide perfect miniaturized and integrated platforms for cell analysis. In this article, microfluidic chip-ICP-MS techniques for trace elements and their species analysis in cells were reviewed. Both chip-based pretreatment techniques (e.g., magnetic solid phase microextraction (MSPME), monolithic capillary microextraction (MCME), liquid phase microextraction (LPME)) including chip-based array microextraction techniques for trace elements and their species analysis and droplet chip for single cell analysis were introduced. The newly developed methods of microfluidic chips in combination with ICP-MS for trace elements and their species analysis in small numbers of cells and even single cell were critically discussed, including chip-based MSPME/MCME/LPME-(electrothermal vaporization-ICP-)MS, on-line chip-based array MSPME/MCME-ICP-MS, on-line chip-based array MSPME-high performance liquid chromatography-ICP-MS and online droplet chip-time-resolved ICP-MS. These methodologies were demonstrated with high sensitivity, high throughput, good matrix resistance and low sample/reagent consumption, contributing to the quantification of trace elements/species in cells and even single cells. Relevant 20 references are included herein, and the development trend of microfluidic chip-ICP-MS techniques for cells analysis is prospected.     

基于耦合微流控芯片的可逆式铵检测及其影响因素研究

铵（NH+₄）的光谱检测有着重要的意义,随着微流控领域的发展,以快速性、便携性以及多组分检测为目标的微流控光谱分析成效卓著。但是分析中存在的指示剂浪费问题一直没有得到解决。锌卟啉作为一种天然的自发光分子,能够实现NH+₄的可逆性检测,解决这一问题,但却存在选择性低的缺点。针对这些问题,实验设计了一种耦合微流控芯片,由反应芯片、气体扩散芯片和检测芯片组成。其中反应芯片用于将NH+₄转化为NH₃,由聚二甲基硅氧烷制成;气体扩散芯片使NH₃扩散进入待测溶液,由上下两片玻璃芯片及夹在中间的一层PDMS材质的气体透过膜制成;而检测芯片则通过多层结构将指示剂固定在其中。指示剂是通过将锌卟啉永久染色在离子交换树脂上制作而成的,在遇到NH₃分子时会产生由绿到紫的变化,而当周围变成纯水环境时,又能够实现从紫到绿的逆向变化。以此耦合芯片为分析平台,搭建了一套小型化的光谱检测系统,以便携式光谱仪为分析器件,通过测量450 nm处的透射光谱强度变化,实现了NH+₄的定量检测,同时研究了影响检测结果的三个参数：气体透过膜厚度,流速和指示剂用量。首先通过光谱强度随时间的变化,我们证明了指示过程的可逆性,因而解决了指示剂浪费的问题,时间响应也说明了指示过程的快速性;接着通过与对照实验的对比,说明检测过程具有很高的选择性,能够排除干扰物的影响,光谱变化仅仅是因为NH₃的存在;通过改变气体扩散芯片中气体透过膜的厚度,得到了膜厚和光谱强度变化之间的关系,膜的厚度增加使得检测效果变差,但当膜厚小于10 μm时效果基本不变,考虑到机械强度,选择了10 μm作为膜的最佳厚度;随即研究了耦合芯片中流速对于光谱强度变化的影响,发现流速的增加会使得光谱强度变化减小,但流速小于5 μL·min-1时效果基本不变;最后又研究了指示剂用量对于光谱强度变化的影响,证明指示剂过多和过少都会影响检测效果,以5 mg为最佳。这套以耦合芯片为平台的光谱分析系统具有体积小,经济性高,响应迅速的特点,能够实现NH+₄高选择性、可逆性的定量测量。     

声学微结构的微流控声场的改进与优化*

受限于加工工艺,目前多数的声表面波微流控芯片,主要依靠普通的直通道调节细胞流速,从而控制微球在通道中的排列。但其形成的声场通常无法满足低能量、多功能的微流控需要。本文在普通声表面波微流控芯片的基础上,分别在频域和时域内构建声学微结构,并改变微结构阵列中铜柱间距,模拟仿真了微流控芯片输出端的电势,发现其输出端电压得到了明显的改善。当输入电信号频率在0-30MHz时,输出端电势增加约0.25V;在0-1000ns内,输出端电势增加0.015V左右;进而可以探索开发性价比更高的声波微流控芯片,针对病理检测等所存在的问题进行分析优化,提出新的细胞分离等技术。     

Microfluidic sample preparation for elemental analysis in liquid samples using micro X‐ray fluorescence spectrometry

The integration of microfluidic devices with micro X‐ray fluorescence (micro‐XRF) spectrometry offers a new approach for the direct characterization of liquid materials. A sample presentation method based on use of small volumes (<5 µl) of liquid contained in an XRF‐compatible device has been developed. In this feasibility study, a prototype chip was constructed, and its suitability for XRF analysis of liquids was evaluated, along with that of a commercially produced microfluidic device. Each of the chips had an analytical chamber which contained approximately 1 µl of sample when the device was filled using a pipette. The performance of the chips was assessed using micro‐XRF and high resolution monochromatic wavelength dispersive X‐ray fluorescence, a method that provides highly selective and sensitive detection of actinides. The intended application of the device developed in this study is for measurement of Pu in spent nuclear fuel. Aqueous solutions and a synthetic spent fuel matrix were used to evaluate the devices. Sr, which has its Kα line energy close to the Pu Lα line at 14.2 keV, was utilized as a surrogate for Pu because of reduced handling risks. Between and within chip repeatability were studied, along with linearity of response and accuracy. The limit of detection for Sr determination in the chip is estimated at 5 ng/µl (ppm). This work demonstrates the applicability of microfluidic sample preparation to liquid characterization by XRF, and provides a basis for further development of this approach for elemental analysis within a range of sample types. Copyright © 2014 John Wiley & Sons, Ltd.     

Fabrication of an integrated Raman sensor by selective surface metallization using a femtosecond laser oscillator

We demonstrate that a Raman sensor integrated with a micro-heater, a microfluidic chamber, and a surface-enhanced Raman scattering (SERS) substrate can be fabricated in a glass chip by femtosecond laser micromachining. The micro-heater and the SERS substrate are fabricated by selective metallization on the glass surface using a femtosecond laser oscillator, whereas the microfluidic chamber embedded in the glass sample is fabricated by femtosecond laser ablation using a femtosecond laser amplifier. We believed that this new strategy for fabricating multifunctional integrated microchips has great potential application for lab-on-a-chips.