基于SERS机理的微流检测器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于SERS机理的微流检测器及其制备方法。该微流检测器包括至少一个微流道结构，该微流道结构包括：基底，具有上表面以及从上表面向下凹入的沟槽，沟槽具有检测区；金属光栅，形成在沟槽的检测区内，金属光栅限定了沟槽的供待测物质通过的多个微流道。本发明专利技术通过将金属光栅集成在微流道结构中，可以使得基于SERS机理的微流检测器对待测物质分子拉曼信号的增强以指数形式增加，其增加幅度远高于仅使用金属光栅基于SERS机理来检测的灵敏度，从而更适合于探测浓度极低的分子信号。此外，本发明专利技术的微流检测器可控性好，产品尺寸较小、便于携带。

【技术实现步骤摘要】
基于SERS机理的微流检测器及其制备方法
本专利技术涉及微纳米结构器件
，特别是涉及一种基于SERS机理的微流检测器及其制备方法。
技术介绍
当光被原子或分子散射时，绝大多数光子发生弹性散射，即散射光的频率与入射光的频率相同，称之为瑞利散射；还有一小部分光子发生非弹性散射，即散射光的频率与入射光不同，也称之为拉曼散射。拉曼散射可以准确地反映分子的震动能级的信息，因此被当做是分子“指纹”，从而被广泛地应用于物质的检测中。同时拉曼散射光谱检测是一种不需要对待检测样品进行标记的物质结构分析手段，具有非破坏性、无需接触等特点。随着激光技术和弱信号探测接收技术的发展，作为一种可实现物质结构分子水平检测的手段，拉曼散射光谱检测有望在生物检测、疾病诊断、环境监测、化学分析等领域获得实际和广泛的应用。然而，由于拉曼散射截面小，拉曼散射光谱检测的分析灵敏度低，很多分子或者基团的拉曼光谱很难获得。虽然通过提高激励激光功率可以在一定程度上提高拉曼散射光谱的强度，但对于生物样品，强度太大的激光会破坏样品的生物活性，因此很多应用转而利用了表面增强拉曼散射效应来提高样品的拉曼散射光谱强度。表面增强拉曼散射(surface-enhancedRomanscattering，SERS)是一种异常的表面光学现象，是指粗糙的贵金属表面在入射光激发的情况下增强吸附在其表面的物质分子的拉曼散射光谱信号的一种现象。分子拉曼散射信号的增强来源于粗糙表面在光照射下所产生的表面电子振荡，当入射光的频率与金属自身的等离子体的频率相匹配时，电子振荡达到最大，于是在金属表面产生一个与入射光频率相同的附加局域电磁场，它所覆盖的区域存在着入射光和表面等离子体被激发后叠加在一起的电磁场。由于分子的拉曼散射源于分子自身的极化与外界电场的相互作用，所以处在这个叠加电场中的分子除了受原入射电磁场的作用外还受这个局域增强电磁场的作用，因此激发出的拉曼散射信号也相应地得到了加强。与普通拉曼散射光谱信号相比，表面增强拉曼散射信号的强度有多个量级的增强，甚至可以达到单分子拉曼散射信号的探测。表面增强拉曼散射是这种粗糙化金属表面上最为突出的效应，在粗糙化的金、银、铜等金属的表面上，与普通的拉曼散射光谱强度相比，SERS的增强可达到106。自从SERS出现后，其领域的发展是相当迅猛的，在应用方面，科学家们利用SERS技术测量分子以及物质的拉曼光谱，建立完整的拉曼库；制作表面承载基底，应用拉曼光谱的指纹特性，在探测器方面和分子检测方面具有巨大的潜力，SERS有望成为单分子检测的重要工具，即利用SERS技术测量分子和物质的拉曼光谱，对分子结构进行研究和探索。但是目前的一些基于表面增强拉曼散射的机理制备的检测器件，大多数的报道主要基于纳米粗糙面或纳米结构的开放式表面增强拉曼散射活性基底及其制备方法，如溶胶颗粒法、金属电极的电化学氧化还原法、金属纳米小球排布法、气液固化学生长法及物理化学刻蚀法等等。在这些开放式活性基底上尤其是在纳米粗糙面或纳米结构上分布待测试剂时，一般采用浸泡-蒸发法和滴定-蒸发法。当采用浸泡-蒸发法时，可以在开放式活性基底的纳米粗糙面或纳米结构上均匀吸附一层待分析物分子，但是这种方法所需要的试剂剂量大，同时浸泡耗费的时间往往需要几个小时甚至更长。当采用滴定-蒸发法分布待分析物时，所需的试剂剂量在水平方向上只需要覆盖活性基底整个表面，但其高度可能达到毫米量级，因此试剂用量仍旧较大；且该方法也同样需要耗费较长的溶剂蒸发时间；此外，采用该方法在开放式活性基底上分布分子时，由于咖啡环效应等因素的影响，分子在活性基底上的分布不能达到很好的均匀性，从而影响所检测到的拉曼散射信号的一致性；另外，从应用角度上说，采用蒸发法分布待分析物分子不适用于对液体环境有特殊要求的生物分子的活体检测。因此，目前所存在的一些检测器件不仅检测到的拉曼散射信号一致性差，而且灵敏度低、可控性差。如何基于SERS机理制备出灵敏度高且可控性好的检测器件成为目前研究的重要方向。
技术实现思路
本专利技术的目的是要提供一种基于SERS机理的微流检测器及其制备方法，该微流检测器不仅灵敏度高，可以探测到浓度极低的待测物质的分子信号，而且可控性强。根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于SERS机理的微流检测器，包括至少一个微流道结构，微流道结构包括：基底，具有上表面以及从上表面向下凹入的沟槽，沟槽具有检测区；金属光栅，形成在沟槽的检测区内，金属光栅限定了沟槽的供待测物质通过的多个微流道。进一步地，沟槽的深度为100～10000nm，优选为500nm。进一步地，金属光栅的高度设置成不低于基底的上表面所在的水平面。进一步地，金属光栅为由相互间隔开的多个金属薄片构成的线型光栅，每一金属薄片沿竖向设置且与沟槽的延伸方向基本平行地延伸；优选地，金属光栅的周期为100～1000nm，占空比为0.01～0.99；进一步优选地，金属光栅的周期为200～900nm，占空比为0.2～0.7。进一步地，沟槽还具有分别位于检测区两侧的引流区和回流区；其中，在横向于沟槽的延伸方向上的宽度方向上，引流区和回流区的宽度大于检测区的宽度。进一步地，引流区和回流区为矩形槽结构，引流区和/或回流区的宽度为1～10000μm，优选为500μm～800μm。进一步地，沟槽还具有前级区和后级区；其中，前级区位于检测区与引流区之间，并从引流区朝着检测区以渐缩的方式延伸；并且，后级区位于检测区与回流区之间，并从回流区朝着检测区以渐缩的方式延伸。进一步地，前级区和后级区内形成有周期性排列的导流柱；优选地，导流柱的周期为100～1500nm，每一导流柱为直径为50～700nm的圆柱体。进一步地，还包括由透明材料形成的封装部，封装部设置在基底的上表面处，以从沟槽的上方封闭沟槽。进一步地，形成封装部的透明材料为PDMS薄膜或硼硅玻璃薄膜。进一步地，基底的材料为Si或SiO2；和/或金属光栅的材料选自Au、Ag、Cu和Al中的一种或多种。根据本专利技术的另一方面，提供了一种基于SERS机理的微流检测器的制备方法，包括以下步骤：步骤S1、设置基底并在基底的上表面上形成沟槽；步骤S2、在沟槽内套刻光栅结构图案；以及步骤S3、在光栅结构图案内沉积金属以形成金属光栅；金属光栅限定了沟槽的供待测物质通过的多个微流道。进一步地，步骤S1中在基底的上表面上形成沟槽的步骤包括：步骤S11、在基底的上表面上涂覆紫外光刻胶层；步骤S12、对紫外光刻胶层进行光刻曝光和显影处理，以在基底上形成待刻蚀沟槽图案；以及步骤S13、采用反应离子束刻蚀法对待刻蚀沟槽图案进行刻蚀，以在基底的上表面上形成沟槽。进一步地，步骤S2中在沟槽内套刻光栅结构图案的步骤包括：步骤S21、在沟槽内旋涂电子束光刻胶；步骤S22、采用电子束曝光、显影技术对电子束光刻胶进行处理，形成光栅结构图案；以及步骤S23、在光栅结构图案上电沉积金属，形成金属光栅。进一步地，还包括对基底的上表面进行封装的步骤；优选采用采用热压法或者阳极键合法对基底进行封装。本申请的专利技术人发现，按照本专利技术的微流检测器通过将金属光栅集成在微流道结构中，可以使得基于SERS机理的微流检测器对待测物质分子拉曼信号的增强以指数形式增加，其增加幅度远高于仅使用金属光本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于SERS机理的微流检测器，包括至少一个微流道结构，所述微流道结构包括：基底(10)，具有上表面(11)以及从所述上表面(11)向下凹入的沟槽，所述沟槽具有检测区(121)；金属光栅(20)，形成在所述沟槽的所述检测区(121)内，所述金属光栅(20)限定了所述沟槽的供待测物质通过的多个微流道(21)。

【技术特征摘要】
1.一种基于SERS机理的微流检测器，包括至少一个微流道结构，所述微流道结构包括：基底(10)，具有上表面(11)以及从所述上表面(11)向下凹入的沟槽，所述沟槽具有检测区(121)；金属光栅(20)，通过沉积金属形成在所述沟槽的所述检测区(121)内，所述金属光栅(20)为由相互间隔开的多个金属薄片构成的线型光栅，每一所述金属薄片沿竖向设置且与所述沟槽的延伸方向基本平行地延伸；和由透明材料形成的封装部(30)，所述封装部(30)设置在所述基底(10)的所述上表面(11)处，以从所述沟槽的上方封闭所述沟槽，从而与所述金属光栅一起限定了所述沟槽的供待测物质通过的相互不连通的多个微流道(21)。2.根据权利要求1所述的微流检测器，其中，所述沟槽的深度为100～10000nm。3.根据权利要求2所述的微流检测器，其中，所述沟槽的深度为500nm。4.根据权利要求1-3中任一项所述的微流检测器，其中，所述金属光栅(20)的高度设置成使得所述金属光栅(20)不低于所述基底(10)的所述上表面(11)所在的水平面。5.根据权利要求1至3中任一项所述的微流检测器，其中，所述金属光栅(20)的周期为100～1000nm，占空比为0.01～0.99。6.根据权利要求5所述的微流检测器，其中，所述金属光栅(20)的周期为200～900nm，占空比为0.2～0.7。7.根据权利要求1至3中任一项所述的微流检测器，其中，所述沟槽还具有分别位于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐红星，沈昊，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11