[发明专利]一种滴涂沉积拉曼光谱检测芯片及方法

说明书

本发明提供一种滴涂沉积拉曼光谱检测芯片及方法，所述芯片包含表面疏水层和低拉曼背景信号衬底，所述表面疏水层覆盖于低拉曼背景信号衬底的表面。利用该芯片可对细胞裂解液进行滴涂沉积拉曼光谱检测。表面疏水层和低拉曼背景信号衬底表面的接触作用提高了低拉曼背景信号衬底表面的疏水性，使得滴涂在其上的样品细胞裂解液可形成面积更小、形状更为均匀的样品斑，从而提高光斑范围内的样品密度，进一步提高拉曼光谱检测的灵敏度。

技术领域

本发发明涉及激光拉曼光谱检测领域，尤其是涉及一种滴涂沉积拉曼光谱检测芯片及检测细胞裂解液的方法。

背景技术

现有基于拉曼光谱技术进行微生物样品检测主要采用对单细胞进行常规拉曼光谱检测的方法。常规拉曼光谱的信号通常很弱，一般分子的荧光散射截面通常为10^-17～10^-16cm²，红外吸收散射截面为10^-20～10^-17cm²，而拉曼散射截面为10^-30～10^-25cm²，散射光强一般小于入射光强的百万分之一，可见拉曼散射是一个非常弱的过程，其灵敏度也不及红外、荧光等，使其应用受到限制。Stokes拉曼散射强度(I_Stokes)与多种因素有关，如关系式(1)所示。

Ι_Stokes∝NI₀(ω₀-ω_r)⁴|α|² (1)

其中，N是检测的分子数，I₀是入射光强度，ω₀是拉曼激发频率，ω_r是激发的振动能级频率，α是分子的极化率。在此式中，N和I₀是两个容易调节的参数，通过提高样品的浓度(N)或选择高能量的激发波长(I₀)，拉曼信号强度都可得到提高，但是提高激发光能量可能对生物样品造成光损伤或光分解。目前对微生物样品的检测，通常采用对样品中的单细胞采谱一次、每个样品多次采集多个单细胞的检测方式来提高检测的灵敏度、可靠性和数据代表性，但目前的检测方式存在以下关键问题：(1)一个微生物样品通常含有成千上万个单细胞，但实际检测中受限于检测方式的通量，只能获得其中几十个单细胞的光谱数据，数据缺乏代表性；(2)为了提高数据的可靠性，通常会尽量提高每个样品采集单细胞的数量，从而造成了每个样品都需要耗费较长的检测时间；(3)单细胞采谱方式需要借助精密显微仪器，限制了其在实际场景中的应用。综上所述，现有技术基于常规拉曼光谱检测微生物的方法在很多需要微生物活性表征的实际应用中都存在较大的局限性。

将微生物单细胞样品通过细胞裂解方法制备成为微生物细胞裂解液样品后进行检测，可以有效解决上述问题。因为此方式中，细胞裂解液包含了微生物样品中的所有单细胞，通过其获得的数据更能代表整个样品的特征，此外，每个微生物样品只有一个对应的细胞裂解液，因此只需单次检测即可，大大提高了检测的通量并且缩短了检测时间。滴涂沉积拉曼光谱(DCDRS，Drop coating deposition Raman spectroscopy)是一种非增强型的拉曼光谱技术。当把一滴溶液滴在一个疏水表面上，随着溶剂的蒸发，其溶质逐渐被液流带向边缘，最后形成一个环状的结晶，大部分溶质主要在环上富集，即咖啡环效应。因此，滴涂沉积过程相当于一个预浓缩和预富集的过程，它使得溶液样品中不同分子量的各种分子随溶剂蒸发过程在疏水表面形成从中心区域到环区的物质种类和浓度的梯度分布，而更多的分子集中到咖啡环区域内，因而显著提高了拉曼检测的灵敏度。实验发现DCDRS的灵敏度相较于常规的溶液拉曼光谱有近1000倍的提高，这使得低浓度下的生物溶液样本的检测成为可能，目前已经用在生物体液如关节滑液、血液、泪液、唾液、尿液等的研究中。