微流控SERS芯片及其生物传感应用

由于微流控芯片具有优异的集成性和灵活的可操作性,基于芯片上的检测方法被大量开发,发展十分迅速。其中,表面增强拉曼光谱（SERS）凭借其超高的灵敏度、独一无二的指纹谱和窄峰宽等特点成为一种广泛采用的检测手段。SERS微流控芯片集SERS检测技术与微流控芯片的优势于一体,一方面为SERS检测方法的重复性和可靠性提供了一个高效平台,另一方面推动了微流控芯片的功能拓展,在生物分子探测、细胞捕获乃至组织模拟等领域具有广阔的应用前景。本文在简要介绍SERS的原理及其生物传感应用的基础上,重点概述了SERS微流控芯片的构建及其在生物传感及检测中的应用,最后探讨了该研究方向存在的问题及发展方向。     

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...     

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。     

聚合物微流控芯片的简易热压制作及其应用

提出聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微流控分析芯片的一种简易热压制作法,研究了采用外径为180μm的毛细管作为压制微通道"模具"时的条件及相应的PMMA基片的热封合条件。采用扫描电镜(SEM)对PMMA芯片的微通道及其横截面形貌进行了表征,并测定了PMMA芯片电渗流,其电渗流值与文献报道值基本一致,上述结果表明本方法实现了热压封接。另外,芯片电泳-激光诱导荧光及共聚焦荧光显微镜检测技术表明该方法制作的PMMA芯片能稳定且均一地固定蛋白固定相,并成功实现色氨酸对映体的手性分离,两者的有效踏板数分别为450000和19000m-1。     

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。     

微流控光谱分析进展

本文对新兴的微型分析技术———微流控分析中的光谱检测技术进行了综合评述 ,简介了微流控分析技术 ,并对该分析方法进行了展望     

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。     

微流控芯片流道特征超声C扫描分析

微流控芯片流道宽度处于微米尺度,存在特征辨识困难的问题。该文选取两种具有不同流道宽度和布局的典型微流控芯片,采用超声C扫描技术进行流道特征成像。利用标称中心频率15 MHz、10 MHz和5 MHz聚焦探头实施水浸C扫描检测,并分析中心频率、焦斑直径、扫描步进等关键参数对流道表征的影响。实验结果表明,对于流道宽度200μm的微流控芯片,当探头中心频率不低于10 MHz、扫描步进不超过0.1 mm时,成像分辨力和流道表征效果最佳,且流道中心间距测量误差不超过5%。同时,超声C扫描图像可以反映流道宽度变化,辨识发生堵塞的微流控芯片。     

声钳在微流控芯片中的发展和应用

一、声钳的历史和现状 二、声钳技术的原理 三、 声学共振器的制备 四、现阶段几种对流体中样品操控的方法 五、国外声钳技术进展 六、国内声钳技术研究 七、声钳微流技术的发展与展望     

夹心式太赫兹微流控芯片

许多生物大分子的振动和转动能级都落在THz波段范围内,因此可以采用THz光谱技术定性地鉴别生物样品。但是大部分生物分子的活性需在液体环境中才能表现出来,而水作为极性物质对THz波具有较强的吸收特性。因此,在THz光谱技术中通常采取各种措施来减少水的影响,以防止水溶液中生物样品的信息被掩盖。该研究设计了两种可利用透射式太赫兹时域光谱(THz-TDS)系统检测的夹心式微流控芯片,通过减小THz与水的作用距离来减少水对THz的吸收,从而达到高透过率的目的。微流控芯片采用环烯烃共聚物(Zeonor 1420R)作为基片和盖片,聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为沟道夹层,利用THz-TDS系统对该芯片进行了测试,测得该芯片在0.2～2.6 THz频率范围内的透过率可以达到80％以上。在微流控芯片中分别加入去离子水、1,2-丙二醇以及二者在不同体积比下的混合溶液,并测量了它们的透射谱。结果表明,不同比例溶液的THz光谱明显不同,说明该芯片在测量液态样品方面的可行性。此外,用该芯片分别研究了不同浓度的氯化钾和碘化钾溶液,发现氯化钾溶液随着浓度的增加THz透过率减弱,而碘化钾溶液则相反。初步认为,电解质改变了水溶液中的氢键密度,从而导致溶液对THz吸收的改变。     

Engineering of SERS Substrates Based on Noble Metal Nanomaterials for Chemical and Biomedical Applications

Abstract

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) has attracted great interest due to its remarkable enhancement, excellent sensitivity, and the “fingerprinting” ability to produce distinct spectra for detecting various molecules. Noble metal nanomaterials have usually been employed as SERS-active substrates because of their strong SERS enhancement originated from their unique surface plasmon resonance (SPR) properties. Because the SPR property depends on metal material's size, shape, morphology, arrangement, and dielectric environment around metal nanostructures, the key to wider applications of SERS technique is to develop plasmon-resonant structures with novel geometries to enhance Raman signals and to control the periodic ordering of these structures over a large area to obtain reproducible Raman enhancement. This review presents a general view on the theory background of SERS effect and several basic concepts and focuses on recent progress in engineering metallic nanostructures with various morphologies using versatile methods for improving SERS properties. Their potential applications in the field of chemical detection and biological sensing are overviewed.     

SERS在标记免疫检测中的应用

标记免疫分析 ,是将多种标记示踪技术的高度灵敏性和医学免疫抗原抗体反应的高度特异性相结合的产物 ,因此具有极良好的微量分析效果 ,是生物活性物质分析方法上的新领域。2 0世纪 70年代中后期 ,表面增强拉曼散射 (SERS)效应的发现与证实 ,给拉曼光谱的研究应用注入了新的活力 ,特别是在生物医学领域 ,SERS被大量应用。文章综述了SERS应用于标记免疫分析的研究状况 ,将已有的研究成果进行了系统阐述和归纳 ,并简要介绍本实验室在这方面做的一些工作     

微流芯片

介绍了基于电流变液控制的微流芯片的工作原理和制作过程.由于电流变液的粘度随外加电场的增加而增大, 且这种改变是可逆的, 响应时间也极快 (毫秒量级).利用此特性,作者设计制成了电流变液数值型微流阀.基于此类微流阀,作者制成了一系列微流器件,例如：微流混合装置、微减震器以及微流泵.     

表面增强拉曼光谱(SERS)及其在定量测量中的研究进展

表面增强拉曼光谱(surface enhanced Raman spectroscopy,SERS)具有极高的灵敏度,是一种强大的检测低浓度分析物的痕量分析技术,甚至可以实现单分子检测。因此,在化学、生物、环境等领域都是非常重要的分析手段。但是,由于SERS信号的重现性不高,尚未成为常规的定量分析技术。本文阐述了SERS的基本原理,总结了应用SERS实现定量检测的研究成果,评述了SERS的定量检测在环境、生物医药、食品卫生等方面的应用,并提出了展望和亟待解决的问题。     

高性能三维纳米结构SERS芯片设计、批量制备与痕量汞离子检测

表面增强拉曼散射（SERS）是一种无损、高灵敏、快速检测痕量重金属离子的光谱技术。通过调控和优化纳米结构图案和尺寸可显著增强局域表面等离子体共振（LSPR）与表面等离子体激元（SPP）的耦合以提升电磁场强度,是获得高性能SERS芯片的重要新途径。提出一种用于检测痕量汞离子的新型金属/介质三维周期纳米结构高性能SERS芯片。利用新型应力分化式双层模板纳米压印方法实现了大面积高均一纳米结构SERS芯片的低成本、批量制备。该芯片成功用于痕量汞离子的高灵敏快速检测。采用有限元方法对压印过程界面微区应力进行模拟,通过调控压印模板纵向结构和横向尺寸对模板进行设计。模拟结果表明,纵向有台阶结构的双层模板图案区域呈现高、低两个应力分区,其中,高应力区占图案~72%的面积,其应力均匀性比单层模板提升17%;低应力区分布在图案边缘~28%的区域,可有效减小脱模切应力。当模板横向尺寸从15 mm缩减至7 mm,界面应力整体提升1～2个数量级,将显著提高压印成功率。使用不同横向尺寸的单、双层模板进行压印实验结果表明,尺寸为7 mm的压力分化式双层模板实现了大面积高均一纳米结构的高质量制备,这与模拟结果高度一致。在压印胶纳米结构上构筑金纳米颗粒得到金属/介质三维周期纳米结构SERS芯片。此芯片对罗丹明6G分子的检测极限为2.08×10-12 mol·L-1,增强因子达3×108,检测均一性RSD为8.07%。该芯片对汞离子的探测限浓度仅为10 ppt(5.0×10-11 mol·L-1),浓度线性工作范围为5.0×10-11～5.0×10-5 mol·L-1,跨度达6个数量级,呈现良好的线性关系(R2=0.966),在目前汞离子检测技术中具有显著优势。提出一种通用的高灵敏快速检测痕量物质的SERS芯片设计和制备方法。这种基于光学原理芯片“结构设计-批量制备-实际应用”的研究范式将连接芯片设计和批量制备两个关键点,推动其实际应用。     

白酒中糖精钠添加剂表面增强拉曼光谱快速检测研究

采用表面增强拉曼光谱技术快速分析白酒中非法添加物糖精钠甜味剂。以金溶胶为增强基底,对金溶胶、待测溶液与氯化钠溶液体积比、混合时间和测定体系pH值试验条件进行优化。结果表明,当待测溶液、增强基底和氯化钠溶液体积比为1∶1∶0.5、混合时间为5 min、pH值为4时,获得的拉曼信号最好。结合密度泛函理论,对糖精钠分子进行谱峰归属,确定了定性定量分析白酒中糖精钠的3个特征谱峰：1 148,1 164和1 296 cm-1。以特征峰1 164 cm-1的峰强度与白酒中糖精钠浓度建立线性方程,该方程在1~20 mg·L-1浓度范围内线性关系良好,R2决定系数为0.993 3,方法回收率在98.57%~102.5%之间,相对标准偏差(RSD)在2.44%~8.6%之间。此方法分析白酒中糖精钠的最低检出浓度可达到1 mg·L-1,单个样本检测时间在10 min内完成。研究表明,采用表面增强拉曼光谱方法能快速准确分析白酒中的糖精钠甜味剂,可为白酒中甜味剂实时快速检测装置开发提供方法支持。