微流控技术与SERS检测器件的完美结合

表面增强拉曼散射(SERS)效应是指在入射光的激发下,吸附在粗糙贵金属表面的物质的拉曼散射光谱信号显著增强的一种现象,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,同时还具有受水干扰小、可猝灭荧光、稳定性好等特点。SERS技术是一种可实时、实地研究物质成分和结构的无损检测工具,有望在农残检测、环境监测、疾病诊断等领域获得广泛的实际应用。

然而,现阶段的SERS器件一般为开放式SERS活性基底,用其进行SERS检测的结果一致性差,且相关测试过程耗时长、易受外界干扰。另一方面,SERS活性基底所普遍采用的传统制备方法难以具备高一致性的批量加工能力。为了有效解决这些问题,北京大学微电子学研究院的吴文刚教授课题组开展了深入细致的研究工作,创新性地提出了一种微流控SERS检测器件,该器件由图形化的纳米柱阵列结构SERS活性基底与PDMS微流道结构层键合而成。该器件与开放式SERS活性基底相比可实现被测试剂分子在活性基底上的快速、均匀分布,以提高检测效率和一致性;而且,微流道结构所实现的封闭式环境可减少测试过程中的噪声引入,继而进一步提高检测结果的可靠性。此外,该器件采用了氧等离子体轰击光刻胶引入纳米材料的纳米柱森林加工新技术,具有与常规IC工艺兼容、流程简单、成本低廉的明显优点。

检测过程中,被测试剂通过在微流道中的流动,实现待测分子在SERS活性基底上的分布,均匀性较在开放式活性基底上的分布有很大程度的提高。检测结果表明,不同测试点所得到的拉曼散射光谱之间,其强度上的相对误差范围为-13%~13%,较开放式活性基底上的相应误差范围-85%~145%大幅缩小。此外,微流控SERS检测器件的自标定增强因子为1.5 × 106,可以满足SERS常规应用的要求。

该项工作获得了中国国家自然科学基金项目、中国国家“973计划”课题等的支持。目前,吴文刚教授课题组正在研究将微流控SERS检测器件用于农残检测的相关工作。

毛海央博士设计并完成了该项工作的大部分实验。所有的作者都参与了数据分析、讨论以及论文修改工作。