[实用新型]微流控表面增强拉曼测试芯片

说明书

技术领域

本实用新型涉及微流体的拉曼检测技术领域，特别是涉及一种微流控表面增强拉曼测试芯片。

背景技术

表面增强拉曼技术(Surface Enhanced Raman Scattering，SERS)是指借助粗糙金属表面或金属纳米结构增强吸附分子的拉曼信号的技术，它可以使拉曼信号增强10¹⁰～10¹¹倍，这意味着它能检测单个分子。由于其具有超高的灵敏度，SERS技术已被广泛应用于化学、生物学、医学等领域。

微流控芯片技术(Microfluidic Chip，MC)是指把化学、生物和医学等领域中所涉及的样品制备、反应、分离和检测等操作单元集成到微米尺度的芯片上，由微通道组成网络，以可控流体贯穿整个系统，从而取代常规生物医学或化学实验室的各种功能的技术。微流控芯片也被称作芯片实验室(Lab on a chip)，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行几百个样品的同时分析。与传统的分析方法相比，它具有分析效率高、试剂消耗量小和体积小易于集成等优点。

随着微流控芯片的集成化和微型化，其处理的微流体的体积逐渐减少，从nL(10^-9L)到pL(10^-12L)甚至到fL(10^-15L)，如此微量的体积使得试样分子的检测成为难题。但是具有超高灵敏度的SERS技术恰好能解决这一难题，于是，基于SERS检测技术的微流控芯片应运而生。

目前这种芯片尚处于研究阶段，还没有统一的名字，一般称作微流控表面增强拉曼测试芯片(Microfluidic SERS Chip，MSC)。SERS技术与MC技术的结合使得其自身的缺陷也得到了克服，相比于传统的SERS技术，MSC技术有着以下几大优势：1)克服了被测分子在增益介质表面分布不均的问题，大大提高了数据的可靠性以及测试的可重复性；2)解决了局域加热的问题，避免了分子在测试过程中受热分解；3，可用于流体的实时SERS监测。

目前，微流控表面增强拉曼测试芯片大致可以分为两种：颗粒式芯片和基底式芯片。颗粒式芯片是指利用分散的SERS纳米颗粒增强拉曼信号的芯片。如Taylor等人以纳米银颗粒作为检测试剂制备出了颗粒式的MSC。由于颗粒式芯片制备容易，只需要设计纳米颗粒试剂的入口沟道以及与试样溶液混合的混合沟道即可，所以它也成为各国研究小组普遍采用的方法。颗粒式芯片虽然制备简单、成本低廉，但是它也有着自身的缺点，例如：1)在测试过程中纳米颗粒是随着液体的流动而不断损耗的，这样造成了极大的浪费；2)它必须设计弯曲的混合沟道来促使待测溶液和检测试剂充分混合，这样就延长了测试时间，降低了效率；3)因为纳米颗粒容易沉降和团聚，所以它必须在测试前当即配制，或经过化学修饰以保持分散状态。

基底式芯片是指利用固定的SERS基底增强拉曼信号的芯片，如Mao等人利用光刻、深反应离子束刻蚀、化学气相沉积和热蒸镀等微加工方法制备出了以纳米柱阵列为SERS基底的MSC，其增益系数可以达到5.2×10⁵，并且制备出的SERS基底式芯片在测试时具有良好的一致性。不足之处在于，此基底式芯片主要以纳米柱的顶端面为增益表面，这使得其增益系数的提升有限，而且制备工艺复杂，成本高昂，不利于大规模生产。

综上所述，虽然基底式芯片的制备过程复杂一些，但是其测试信号一致性良好且使用起来简单方便，不存在颗粒式芯片的上述问题。因此，如何基于基底式芯片进行改进以提升其增益系数可能成为未来市场的主流。

实用新型内容

本实用新型的目的旨在提供一种微流控表面增强拉曼测试芯片，该测试芯片的检测区设置具有三维增益面结构的金属柱群，增加与待测分子的接触表面积，从而大幅提升了增益系数和检测的灵敏度。

根据本实用新型的一个方面，提供了一种微流控表面增强拉曼测试芯片，包括：第一硬质基板；第二硬质基板，与第一硬质基板相对平行设置；以及由具有SERS活性的金属材料形成的金属层，设置在第一硬质基板和第二硬质基板之间，并由第一硬质基板延伸至第二硬质基板；其中，金属层包括由多个金属柱形成的金属柱群，每一金属柱沿从第一硬质基板到第二硬质基板的厚度方向延伸，并且金属柱群中任意两个相邻的金属柱之间形成供待测流体通过的微流道。

进一步地，金属柱在垂直于其延伸方向上的截面的尺寸为纳米量级。

进一步地，第一硬质基板由透明且导电的材料制成，金属柱群从第一硬质基板开始朝向第二硬质基板的厚度方向延伸。