[发明专利]基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统

说明书

一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，所述呼吸检测系统包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片。本发明可以用于呼吸成分的快速高灵敏度检测，且成本较低。

技术领域

本发明属于光学检测领域，具体涉及一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法。

背景技术

呼吸气体是一种含有环境气体、水蒸气及其他痕迹可挥发性有机成分及非挥发成分的气体混合物。呼吸检测是一种定性定量研究呼吸成分的检测方法，作为一种非侵入性的诊断手段可以用于早常规体检及如肺癌、肺结核、糖尿病及心脏疾病等不同疾病的早期诊断中。由于其无创无痛及收集简易等特性，呼吸检测在健康诊断、生物信息学及制药领域得到了国内外尖端领域研究的关注。

检测呼吸成分的主要方法是通过聚氟乙烯泰德拉气体采集袋采集呼吸样品，通过固相萃取装置(SPME)进行呼吸样品富集，最后由气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析呼吸成分。然而，由于SPME富集期间需要经过物理吸附、热解吸或液体洗脱等许多步骤，呼吸样品捕获及富集效率一直无法得到提高。随着近年来化学分析仪器精确度及灵敏度的提高，一些新型分析化学仪器包括傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS)，质子转移反应质谱(RTP-MS)，选择性离子流动管质谱(SIFT-MS)等开始运用于呼吸检测中。然而，上述方法需要用到昂贵的大型专业分析化学质谱仪器，无法满足越来越多的低成本快速日常检测的需求。

迅速发展的微电子机械系统(MEMS)技术以及纳米技术为人体呼吸的快速、准确检测提供了新的手段，特别是微流控芯片全分析系统，可为呼吸样品的检测提供一个闭环控制的集成检测系统；将样品的富集、解吸、检测分析的整个过程集约。一些金属氧化物/碳纳米管及有机金属/碳纳米管等新型纳米材料气体传感器被直接运用于呼吸检测，但该类传感器仅能检测氨气、一氧化碳、甲醇等极小分子气体，同时呼出气体中高湿度等特点也严重影响了传感器信号的读取。一种通过有机金属化合物修饰的比色传感器矩阵被用于检测呼吸气体中的pH值、极性及路易斯酸碱度，从而辨别呼吸中的生物印记进行肺癌诊断。另一种通过类似有机贵金属化合物修饰的化学电阻传感器矩阵可以通过呼吸中成分的不同导致相对电阻值的变化诊断癌症。然而，该类传感器需要对传感器矩阵每一个点位进行不同修饰，制备过程复杂；同时，由于呼出气体中含有大量的水蒸气，且不同人群所处环境湿度不同，呼吸中水蒸气分压也有所不同，从而导致检测结果出现偏差。

呼吸检测作为一种日常的疾病早期筛查手段，需要利用高灵敏度、低成本的检测方法，高效率获取有效呼吸成分，进行快速定性分析，满足这类需求的方法目前还不存在。

表面增强拉曼散射(Surface-enhanced Raman Scattering，SERS)技术由于可以在分子水平上给出物质的结构信息，且具有极高的检测灵敏度(甚至可以实现单分子检测)和极高的选择性，只需极少量的待测物，就能获得有关分子结构细节的拉曼光谱图。而且，水的拉曼散射信号很微弱，拉曼光谱是研究含有水分子的化学样品的理想工具。因此，该技术在检测高含量水蒸气气氛下的呼吸样品中具有临床意义的痕量(0.1-100ppb)可挥发气体成分，具有非常广阔的应用前景。同时，SERS技术本身低成本、可快速实时检测等特点也均符合呼吸检测的研究需求。但是，呼吸中的小分子物质拉曼效应活性很低，无法直接将呼吸样品通入SERS芯片后进行检测，目前利用SERS技术进行呼吸检测的相关研究较少。

发明内容

为了解决现有技术中呼吸检测灵敏度低、成本高、无法快速检测等问题，本发明提出了一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，可以利用便携式拉曼检测系统进行快速检测。