具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法；解決的技術(shù)問題為：提供一種具有較高SERS活性、且可直接在微流道內(nèi)制備納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法；采用的技術(shù)方案為：具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，芯片上設(shè)有至少一條微流道，微流道的一端設(shè)有至少一個樣品池，各樣品池均與微流道相連通但彼此之間不相連通，微流道的另一端設(shè)有至少一個廢液池，各廢液池均與微流道相連通但彼此之間不相連通，微流道上設(shè)有至少一個生長池，微流道均從每個生長池中穿過，生長池內(nèi)設(shè)有至少一對具有尖端的第一電極，每一對中的兩個第一電極距離最近的尖端上均具有貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)；本發(fā)明適用于微流控芯片的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【專利說明】具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于微流控芯片的【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS)技術(shù)能從分子水平得到基因和化學(xué)鍵以及微環(huán)境對樣品結(jié)構(gòu)影響的信息，并實(shí)時獲得其指紋圖譜，信息量很大，除了具有靈敏度高、特異性強(qiáng)、無標(biāo)記、無損傷以及可實(shí)時探測等特點(diǎn)，還不會被溶液等介質(zhì)干擾，因此，自從1974年被發(fā)現(xiàn)以來，SERS由于上述等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛地應(yīng)用于生化檢測；微流控芯片是一種應(yīng)用于微型全分析系統(tǒng)領(lǐng)域的核心技術(shù)，因其尺寸小、成本低、試劑耗量小、快速高效、易集成和自動化等優(yōu)點(diǎn)，在生物、化學(xué)、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著巨大的應(yīng)用潛力，是未來分析和檢測發(fā)展的方向之一，因此，將SERS技術(shù)與微流控芯片結(jié)合是一個很有前景的研宄課題。
[0003]目前，將SERS技術(shù)與微流控芯片結(jié)合的常用方法是首先預(yù)制SERS基底，然后將該基底轉(zhuǎn)移到工作位置上，而這兩步操作無形中增加了時間和工序的成本，此外，為了實(shí)現(xiàn)檢測，拉曼基底一般要工作在微流體通道內(nèi)部，所以，上述兩步法還會給后續(xù)的鍵合封裝工序帶來諸多困難；為了解決這個問題，電動力學(xué)、光鑷法、納米溝道法等基于膠體粒子的富集方法被廣泛地使用，然而，由于液體環(huán)境中膠體粒子非常容易粘附、團(tuán)聚，這些技術(shù)存在檢測效率低、信號強(qiáng)度弱等問題，即使得帶有拉曼基底的微流控芯片的SERS活性低，在很多應(yīng)用場合都達(dá)不到使用需求；因此，一種具有較高SERS活性的微流控芯片以及制作該芯片時無需先制備拉曼基底再進(jìn)行轉(zhuǎn)移、而是直接在微流體通道內(nèi)定點(diǎn)、定向制備拉曼基底的方法顯得尤為重要。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，所要解決的技術(shù)問題為:提供一種具有較高SERS活性、且可直接在微流道內(nèi)制備納米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上設(shè)有至少一條微流道，所述微流道的一端設(shè)有至少一個樣品池，各樣品池均與微流道相連通但彼此之間不相連通，所述微流道的另一端設(shè)有至少一個廢液池，各廢液池均與微流道相連通但彼此之間不相連通，所述微流道上設(shè)有至少一個生長池，微流道均從每個生長池中穿過，所述生長池內(nèi)設(shè)有至少一對具有尖端的第一電極，每一對中的兩個第一電極距離最近的尖端上均具有貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)；所述微流道內(nèi)設(shè)有至少一個第二電極；所述每一對中的兩個第一電極距離最近的尖端之間的距離為5 μπι~30 μπι ;所述的貴金屬為金、鉑或鈀；所述芯片包括:鍵合在一起的基底和基片，所述第一電極和第二電極均設(shè)置于所述基底上，所述微流道、樣品池、廢液池和生長池均設(shè)置于所述基片上；所述基底為絕緣硅材料；所述基片為固化型聚合物，或?yàn)闊崴苄跃酆衔锘驗(yàn)槿軇]發(fā)型聚合物。
[0006]具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，包括以下步驟:1)利用MEMS工藝，在基片上制作微流道、樣品池、廢液池和生長池，在基底上制作第一電極、第二電極，通過鍵合工藝，將基底和基片組合成整體；2 )將含有貴金屬的電解液滴入生長池中，在每一對第一電極之間通交流電，以在兩個第一電極距離最近的尖端上生長形成貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)；3)貴金屬納米枝晶結(jié)構(gòu)形成后，在樣品池內(nèi)加入去離子水，在每兩個第二電極之間或者第二電極和第一電極之間施加電壓，使得樣品池內(nèi)的去離子水流動以沖洗微流道；步驟2)中，含有貴金屬的電解液為離子溶液或者絡(luò)合物溶液；步驟2)中，在每一對第一電極之間施加的交流電的幅值大于3V，頻率值位于IkHz和1MHz之間。
[0007]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果:
1、本發(fā)明中的微流控芯片上設(shè)有微流道以及與微流道相連通樣品池和廢液池，此外，還在微流道上設(shè)有生長池，生長池內(nèi)設(shè)有具有尖端的第一電極，兩個第一電極距離最近的尖端上均具有貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)；枝晶是一種典型的分形結(jié)構(gòu)，由于獨(dú)特的結(jié)構(gòu)自相似性，使得其橢圓形尖端、相鄰枝晶尖端間隙、主干與分支之間間隙均可以作為高效的拉曼熱點(diǎn)，而拉曼信號的強(qiáng)度與熱點(diǎn)的數(shù)量呈比例，通過改變拉曼熱點(diǎn)密度，拉曼信號振幅可增加14個數(shù)量級，因此，上述具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片相較于傳統(tǒng)的微流控芯片，具有較高SERS活性，此外，上述拉曼基底可在微流控芯片進(jìn)行封裝后、在第一電極之間通交流電制作而得，克服了傳統(tǒng)的拉曼基底先制備再轉(zhuǎn)移或者先制備再封裝器件的問題。
[0008]2、本發(fā)明還在微流道內(nèi)設(shè)有第二電極，當(dāng)需要使流體在微流道中流動時，可在微流道內(nèi)的多個第二電極之間或者第一電極和第二電極之間施加合適的電壓，使得流體在帶有電壓的電極的作用下在微流道內(nèi)進(jìn)流動，解決了傳統(tǒng)的微流控芯片必須帶有驅(qū)動流體流動的外部驅(qū)動裝置的問題，既簡化了整個裝置的制備工藝，又節(jié)約了成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0009]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)的說明；
圖1為本發(fā)明中實(shí)施例的微流控芯片的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2為圖1中A的放大圖；
圖3為四巰基吡啶(4-MPy)在不同基底上(包括本發(fā)明中實(shí)施例制作的PDMS微流控芯片)測試得到的SERS光譜圖；
圖中:1為微流道，2為樣品池，3為廢液池，4為生長池，5為第一電極，6為第二電極，7為基底，8為基片。

【具體實(shí)施方式】
[0010]如圖1所示，具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上設(shè)有至少一條微流道1，所述微流道I的一端設(shè)有至少一個樣品池2，各樣品池2均與微流道I相連通但彼此之間不相連通，所述微流道I的另一端設(shè)有至少一個廢液池3，各廢液池3均與微流道I相連通但彼此之間不相連通，所述微流道I上設(shè)有至少一個生長池4，微流道I均從每個生長池4中穿過，所述生長池4內(nèi)設(shè)有至少一對具有尖端的第一電極5，每一對中的兩個第一電極5距離最近的尖端上均具有貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)，所述的貴金屬為金、鉑或鈀，所述每一對中的兩個第一電極5距離最近的尖端之間的距離為5 μπι~30 μπι，所述微流道I內(nèi)還可設(shè)有至少一個第二電極6。
[0011]本實(shí)施例中，所述芯片上設(shè)有一條微流道1，所述微流道I的一端設(shè)有兩個樣品池2，另一端設(shè)有一個廢液池3，所述微流道I上設(shè)有一個生長池4，生長池4位于微流道I的中間且其內(nèi)設(shè)有一對第一電極5，兩個第一電極5距離最近的尖端之間的距離為10 μ m，在兩個尖端生長的貴金屬納米枝晶為金納米枝晶，微流道I內(nèi)設(shè)有六個第二電極6，分布于生長池4的兩側(cè)，每側(cè)相鄰的兩兩第二電極6之間距離3mm。
[0012]進(jìn)一步地，所述芯片包括:鍵合在一起的基底7和基片8，所述第一電極5和第二電極6均可設(shè)置于所述基底7上，所述微流道1、樣品池2、廢液池3和生長池4均可設(shè)置于所述基片8上；所述基底7可為絕緣硅材料，其中絕緣硅材料可為硅、氮化硅、氧化硅或者石英玻璃等，所述基片8可為二甲基硅氧烷(PDMS)、環(huán)氧樹脂或者聚氨酯等固化型聚合物，可為聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、聚丙乙烯等熱塑性聚合物，也可為丙烯酸、橡膠和氟塑料等溶劑揮發(fā)型聚合物；本實(shí)施例中，基底7為S12,基片8為PDMS膜。
[0013]具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，包括以下步驟:
I)利用MEMS工藝，在基片8上制作微流道1、樣品池2、廢液池3和生長池4，在基底上制作第一電極5、第二電極6，最后通過鍵合工藝，將基底7和基片8組合成整體；本實(shí)施例中，微流道1、樣品池2、廢液池3和生長池4可通過軟光刻、模塑法、熱壓法、LIGA工藝以及激光燒蝕工藝等技術(shù)加工在基片8上，鍵合工藝可為熱鍵合、陽極鍵合或者低溫鍵合；第一電極5和第二電極6可為鉑等貴金屬電極，用剝離法制作在基底7上，第一電極5和第二電極6可通過引線與外部控制電路相連；具體制作上述金屬電極時，先在基底7的表面涂上一層光刻膠，經(jīng)過曝光、顯影后形成掩模圖形(此時在不需要金屬膜的區(qū)域仍然覆有光刻膠，而在需要金屬膜的區(qū)域暴露出基底7)，然后用鍍膜的方法在整個基底7表面覆蓋一層金屬，金屬膜在需要的區(qū)域與基底相接觸，最后，將覆有光刻膠和金屬的基底7浸泡于剝離液中，即可得到所需要形狀的金屬電極。
[0014]2)將含有貴金屬的電解液滴入生長池4中，在每一對第一電極5之間通交流電，以在兩個第一電極5距離最近的尖端上生長形成貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)，在每一對第一電極5之間施加的交流電可為正弦波電壓、方波電壓、三角波電壓，也可為偏置電壓，其幅值大于3V，頻率值位于IkHz和1MHz之間；滴入的電解液可為離子溶液或者絡(luò)合物溶液，具體地，可為 AuCl3.HCl.3H20、Pd (acetate) 2、In (CH3COO) 3、HAuC14.3H20、H2PtCl6.6H20、K2PtCl4以及Cu (NO3) 2等溶液；本實(shí)施例中，滴入的電解液為濃度為lmmol/L的AuCl 3.HCl.3H20溶液，利用函數(shù)信號發(fā)生器Ocean Instrument 011842通正弦交流電，幅值在20V，頻率在IkHz至1MHz之間，通電時長為10秒。
[0015]3)貴金屬納米枝晶結(jié)構(gòu)形成后，在樣品池2內(nèi)加入去離子水，在每兩個第二電極6之間或者第二電極6和第一電極5之間施加電壓，使得樣品池2內(nèi)的去離子水流動以沖洗微流道1，具體地，施加的電壓根據(jù)第一電極5和/或第二電極6的形狀、尺寸、制作位置等來確定。
[0016]如圖2所示，使用Renishaw公司的RM2000激光共焦顯微拉曼儀，在室溫環(huán)境下對本實(shí)施例制作的納米枝晶SERS基底進(jìn)行SERS活性測試，得到了濃度為lmmol/L的四巰基吡啶(4-MPy)的拉曼散射譜，激發(fā)光源為氬離子激光器，波長為514.5nm，光斑直徑為2 μ m，積分時間為30s，測量2次；具體的測試步驟如下: 1)在一個樣品池2中通入去離子水，在6個第二電極6之間接入行波電壓，使得樣品池2中的蒸餾水流入微流道I中，將原來的電動液沖洗進(jìn)入廢液池3內(nèi)，沖洗的時間根據(jù)施加的行波電壓等來進(jìn)行計(jì)算，以確保沖洗干凈；
2)在另一個樣品池2中通入濃度為lmmol/L的四巰基吡啶(4_MPy)溶液，可通過計(jì)算確定具體通入的液體量，同樣也在第二電極6之間接入行波電壓，使得四巰基吡啶(4-MPy)溶液流入微流道I中進(jìn)行檢測，檢測的過程中，可適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)電壓的頻率和幅值，使背景的熒光信號得到有效抑制，之后即可得到優(yōu)良的被檢測物的分子信號。
[0017]圖2中，譜線①是在毛細(xì)管內(nèi)去離子水溶液中獲得，譜線②是將4-MPy溶液滴在生長有金納米枝晶的硅片上，待溶液蒸發(fā)后，進(jìn)行拉曼測試而得到，結(jié)果表明:金納米枝晶SERS基底有良好的拉曼活性。
[0018]本發(fā)明實(shí)用交流電沉積的方法在預(yù)制電極之間的微區(qū)域內(nèi)制備了納米枝晶作為SERS基底，通過控制交流與直流偏置電壓的幅值和交流電壓的頻率，可以控制枝晶結(jié)構(gòu)的形貌、位置以及生長方向，由于該方法可以先封裝器件后制備基底，并且可以在特定的位置和區(qū)域內(nèi)制備基底，可用于基于SERS技術(shù)的生物芯片和MEMS/NEMS器件的研制；上面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實(shí)施例作了詳細(xì)說明，但是本發(fā)明并不限于上述實(shí)施例，在本領(lǐng)域普通技術(shù)人員所具備的知識范圍內(nèi)，還可以在不脫離本發(fā)明宗旨的前提下作出各種變化。
【權(quán)利要求】
1.具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上設(shè)有至少一條微流道(1)，其特征在于:所述微流道(I)的一端設(shè)有至少一個樣品池(2)，各樣品池(2)均與微流道(I)相連通但彼此之間不相連通，所述微流道(I)的另一端設(shè)有至少一個廢液池(3)，各廢液池(3)均與微流道(I)相連通但彼此之間不相連通，所述微流道(I)上設(shè)有至少一個生長池(4)，微流道(I)均從每個生長池(4)中穿過，所述生長池(4)內(nèi)設(shè)有至少一對具有尖端的第一電極(5 )，每一對中的兩個第一電極(5 )距離最近的尖端上均具有貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述微流道(I)內(nèi)設(shè)有至少一個第二電極(6)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述每一對中的兩個第一電極(5)距離最近的尖端之間的距離為5 μπι~30 μπι。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述的貴金屬為金、鉑或鈀。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述芯片包括:鍵合在一起的基底(7)和基片(8)，所述第一電極(5)和第二電極(6)均設(shè)置于所述基底(7)上，所述微流道(1)、樣品池(2)、廢液池(3)和生長池(4)均設(shè)置于所述基片(8)上。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述基底(7)為絕緣硅材料。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于:所述基片(8)為固化型聚合物，或?yàn)闊崴苄跃酆衔锘驗(yàn)槿軇]發(fā)型聚合物。
8.如權(quán)利要求1至7中任一所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于:包括以下步驟: I)利用MEMS工藝，在基片(8 )上制作微流道(I)、樣品池(2 )、廢液池(3 )和生長池(4)，在基底上制作第一電極(5)、第二電極(6)，通過鍵合工藝，將基底(7)和基片(8)組合成整體； 2 )將含有貴金屬的電解液滴入生長池(4 )中，在每一對第一電極(5 )之間通交流電，以在兩個第一電極(5)距離最近的尖端上生長形成貴金屬的納米枝晶結(jié)構(gòu)； 3)貴金屬納米枝晶結(jié)構(gòu)形成后，在樣品池(2)內(nèi)加入去離子水，在每兩個第二電極(6)之間或者第二電極(6)和第一電極(5)之間施加電壓，使得樣品池(2)內(nèi)的去離子水流動以沖洗微流道(I)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于:步驟2)中，含有貴金屬的電解液為離子溶液或者絡(luò)合物溶液。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的具有納米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于:步驟2)中，在每一對第一電極(5)之間施加的交流電的幅值大于3V，頻率值位于IkHz和1MHz之間。
【文檔編號】G01N21/65GK104492509SQ201410657689
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年11月18日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月18日
【發(fā)明者】冀健龍, 喬暢, 李朋偉, 桑勝波, 張文棟 申請人:太原理工大學(xué)