[发明专利]一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片

说明书

技术领域

本发明属于激光拉曼光谱分析领域。具体涉及一种采用了一种嵌入具有微纳结构端面光纤的检测区域呈开放式的微流控芯片，利用光诱导富集金纳米颗粒的作用在微纳结构端面光纤富集金纳米颗粒，从而增强拉曼散射强度，可应用于液体样品的拉曼光谱分析。

背景技术

拉曼光谱反映了物质的结构信息,为研究晶体和分子的内部结构提供了一个有效的手段。由于在检测中其具有对样品免标记、非接触的特点，因此被广泛用于物质结构和成份的检测。然而，由于拉曼散射强度太低，使得其应用受到限制。表面增强拉曼散射(SurfaceEnhancedRamanScattering，SERS)，尤其金属(包括金、银、铜等)纳米粒子增强的拉曼散射可极大地提高拉曼信号的强度，并且使拉曼检测可重复性和稳定性更好，操作更简单。随着其研究和发展，SERS越来越显示出其成为研究分子结构和物质组成的最基本和有力的手段之一。

光流控(Optofluidics)一种将光对微流中微粒检测和操作与微流控芯片相结合的技术，通过在微尺度范围光和微流的相互作用实现更加集成的应用。将光波导嵌入微流控并且和SERS的结合实现的光流控SERS芯片，可实现高集成、高性能、小体积、易操作、低成本的拉曼检测系统。

将贵金属通过电子束蒸镀、磁控溅射、表面自组装等方法在光纤端面、锥型光纤末端、D型光纤磨削面以及光子晶体光纤等制备金属表面/薄膜，通过该金属表面的拉曼增强作用已经被用来进行拉曼光谱检测，该类具备金属表面的光纤制备工艺复杂，成本高，而其在微流控芯片集成时性能往往收到影响。而本申请所提出的将普通的具有微纳结构端面的石英光纤作为收集光纤直接嵌入微流控芯片，再利用光诱导金纳米颗粒富集作用，依靠光纤端面的立体微纳结构增加富集面积和对微纳金颗粒的容纳堆积作用，增大光诱导金颗粒的富集效果，从而在收集光纤端面形成金纳米颗粒的堆层，通过富集后的金纳米颗粒增强拉曼来进行拉曼光谱检测分析。石英光纤可以通过微纳加工或化学腐蚀的方法直接制备，可以省去微纳金属结构光纤的制备过程，使其更易于与微流控芯片集成，省去复杂的外部空间光路组件，实现免对准、免调整的集成化检测，实现便携化、小型化的应用。

在激光对溶液中纳米颗粒的照射下，由于激光的光力作用和纳米粒子对激光吸收产生的热效应，纳米颗粒会出现团聚现象。利用此原理，本发明提出的一种利用具有微纳结构端面的光纤作为收集光纤，将其嵌入微流控芯片，激光从激发光纤出射后，经过金纳米胶体溶液，照射到在激光传输路径上的收集光纤端面上，在该端面上金纳米颗粒发生团聚富集现象，而光纤具备的微纳结构端面增大了富集端面的富集面积，金纳米颗粒的不断富集使拉曼散射强度得到不断的增强。本发明是利用光纤实现光诱导富集金纳米颗粒的增强拉曼散射，将光纤的耦合结构嵌入微流控芯片，借助微流控芯片制作技术和结构特点解决了光纤相对角度和位置固定的问题，同时也实现了样品的微量化的样品检测和分析。

发明内容

本发明是一种嵌入微纳结构端面光纤的拉曼检测微流控芯片，通过激光诱导富集作用将金纳米颗粒富集在具有微纳结构端面的光纤端面上，实现对液体样品的增强拉曼散射检测。其设计原理如图1。

通过微纳加工方法制备带微流道的微流控芯片2与玻璃基片1键合，微流芯片包含有样品加注孔3、微流道8、开放的检测区域4和样品排出孔5。带有一定厚度的微流控芯片2具有开放的检测区域4，该区域既作为检测时液体样品的缓存池，同时设计成向空气开放的结构形式，用于当光激励时将光热能及时挥发扩散而不至于产生气泡。收集光纤7通过微纳加工和化学腐蚀的方法在收集端面制备柱型7a、锥型7b、半球型7c的等结构形成粗糙端面，通过立体的微纳结构增加富集面积和对微纳金颗粒的容纳堆积作用，增大光诱导金颗粒的富集效果。激励光纤6和收集光纤7以一定耦合角度10嵌入微流控芯片中，两光纤的末端均在检测区域4内，并保证一定的纵向距离12和横向距离11。该角度和距离要能保证当激励激光从激励光纤6出射时，其光束14能保证照射到收集光纤7端面的中心，在激光诱导金纳米颗粒13富集中获得最优的增强拉曼散射进行检测性能。

本发明的主要特色