CN104492509A - 具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法；解决的技术问题为：提供一种具有较高SERS活性、且可直接在微流道内制备纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法；采用的技术方案为：具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，芯片上设有至少一条微流道，微流道的一端设有至少一个样品池，各样品池均与微流道相连通但彼此之间不相连通，微流道的另一端设有至少一个废液池，各废液池均与微流道相连通但彼此之间不相连通，微流道上设有至少一个生长池，微流道均从每个生长池中穿过，生长池内设有至少一对具有尖端的第一电极，每一对中的两个第一电极距离最近的尖端上均具有贵金属的纳米枝晶结构；本发明适用于微流控芯片的技术领域。

Description

具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法

技术领域

本发明属于微流控芯片的技术领域，具体涉及一种具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法。

背景技术

表面增强拉曼散射（SERS）技术能从分子水平得到基因和化学键以及微环境对样品结构影响的信息，并实时获得其指纹图谱，信息量很大，除了具有灵敏度高、特异性强、无标记、无损伤以及可实时探测等特点，还不会被溶液等介质干扰，因此，自从1974年被发现以来，SERS由于上述等优点，被广泛地应用于生化检测；微流控芯片是一种应用于微型全分析***领域的核心技术，因其尺寸小、成本低、试剂耗量小、快速高效、易集成和自动化等优点，在生物、化学、医学等领域有着巨大的应用潜力，是未来分析和检测发展的方向之一，因此，将SERS技术与微流控芯片结合是一个很有前景的研究课题。

目前，将SERS技术与微流控芯片结合的常用方法是首先预制SERS基底，然后将该基底转移到工作位置上，而这两步操作无形中增加了时间和工序的成本，此外，为了实现检测，拉曼基底一般要工作在微流体通道内部，所以，上述两步法还会给后续的键合封装工序带来诸多困难；为了解决这个问题，电动力学、光镊法、纳米沟道法等基于胶体粒子的富集方法被广泛地使用，然而，由于液体环境中胶体粒子非常容易粘附、团聚，这些技术存在检测效率低、信号强度弱等问题，即使得带有拉曼基底的微流控芯片的SERS活性低，在很多应用场合都达不到使用需求；因此，一种具有较高SERS活性的微流控芯片以及制作该芯片时无需先制备拉曼基底再进行转移、而是直接在微流体通道内定点、定向制备拉曼基底的方法显得尤为重要。

发明内容

本发明克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种具有较高SERS活性、且可直接在微流道内制备纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片及其制作方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上设有至少一条微流道，所述微流道的一端设有至少一个样品池，各样品池均与微流道相连通但彼此之间不相连通，所述微流道的另一端设有至少一个废液池，各废液池均与微流道相连通但彼此之间不相连通，所述微流道上设有至少一个生长池，微流道均从每个生长池中穿过，所述生长池内设有至少一对具有尖端的第一电极，每一对中的两个第一电极距离最近的尖端上均具有贵金属的纳米枝晶结构；所述微流道内设有至少一个第二电极；所述每一对中的两个第一电极距离最近的尖端之间的距离为5μm~30μm；所述的贵金属为金、铂或钯；所述芯片包括：键合在一起的基底和基片，所述第一电极和第二电极均设置于所述基底上，所述微流道、样品池、废液池和生长池均设置于所述基片上；所述基底为绝缘硅材料；所述基片为固化型聚合物，或为热塑性聚合物或为溶剂挥发型聚合物。

具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：1）利用MEMS工艺，在基片上制作微流道、样品池、废液池和生长池，在基底上制作第一电极、第二电极，通过键合工艺，将基底和基片组合成整体；2）将含有贵金属的电解液滴入生长池中，在每一对第一电极之间通交流电，以在两个第一电极距离最近的尖端上生长形成贵金属的纳米枝晶结构；3）贵金属纳米枝晶结构形成后，在样品池内加入去离子水，在每两个第二电极之间或者第二电极和第一电极之间施加电压，使得样品池内的去离子水流动以冲洗微流道；步骤2）中，含有贵金属的电解液为离子溶液或者络合物溶液；步骤2）中，在每一对第一电极之间施加的交流电的幅值大于3V，频率值位于1kHz和10MHz之间。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、本发明中的微流控芯片上设有微流道以及与微流道相连通样品池和废液池，此外，还在微流道上设有生长池，生长池内设有具有尖端的第一电极，两个第一电极距离最近的尖端上均具有贵金属的纳米枝晶结构；枝晶是一种典型的分形结构，由于独特的结构自相似性，使得其椭圆形尖端、相邻枝晶尖端间隙、主干与分支之间间隙均可以作为高效的拉曼热点，而拉曼信号的强度与热点的数量呈比例，通过改变拉曼热点密度，拉曼信号振幅可增加14个数量级，因此，上述具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片相较于传统的微流控芯片，具有较高SERS活性，此外，上述拉曼基底可在微流控芯片进行封装后、在第一电极之间通交流电制作而得，克服了传统的拉曼基底先制备再转移或者先制备再封装器件的问题。

2、本发明还在微流道内设有第二电极，当需要使流体在微流道中流动时，可在微流道内的多个第二电极之间或者第一电极和第二电极之间施加合适的电压，使得流体在带有电压的电极的作用下在微流道内进流动，解决了传统的微流控芯片必须带有驱动流体流动的外部驱动装置的问题，既简化了整个装置的制备工艺，又节约了成本。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明；

图1为本发明中实施例的微流控芯片的结构示意图；

图2为图1中A的放大图；

图3为四巯基吡啶（4-MPy）在不同基底上（包括本发明中实施例制作的PDMS微流控芯片）测试得到的SERS光谱图；

图中：1为微流道，2为样品池，3为废液池，4为生长池，5为第一电极，6为第二电极，7为基底，8为基片。

具体实施方式

如图1所示，具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上设有至少一条微流道1，所述微流道1的一端设有至少一个样品池2，各样品池2均与微流道1相连通但彼此之间不相连通，所述微流道1的另一端设有至少一个废液池3，各废液池3均与微流道1相连通但彼此之间不相连通，所述微流道1上设有至少一个生长池4，微流道1均从每个生长池4中穿过，所述生长池4内设有至少一对具有尖端的第一电极5，每一对中的两个第一电极5距离最近的尖端上均具有贵金属的纳米枝晶结构，所述的贵金属为金、铂或钯，所述每一对中的两个第一电极5距离最近的尖端之间的距离为5μm~30μm，所述微流道1内还可设有至少一个第二电极6。

本实施例中，所述芯片上设有一条微流道1，所述微流道1的一端设有两个样品池2，另一端设有一个废液池3，所述微流道1上设有一个生长池4，生长池4位于微流道1的中间且其内设有一对第一电极5，两个第一电极5距离最近的尖端之间的距离为10μm，在两个尖端生长的贵金属纳米枝晶为金纳米枝晶，微流道1内设有六个第二电极6，分布于生长池4的两侧，每侧相邻的两两第二电极6之间距离3mm。

进一步地，所述芯片包括：键合在一起的基底7和基片8，所述第一电极5和第二电极6均可设置于所述基底7上，所述微流道1、样品池2、废液池3和生长池4均可设置于所述基片8上；所述基底7可为绝缘硅材料，其中绝缘硅材料可为硅、氮化硅、氧化硅或者石英玻璃等，所述基片8可为二甲基硅氧烷（PDMS）、环氧树脂或者聚氨酯等固化型聚合物，可为聚酰胺、聚甲基丙烯酰甲酯、聚碳酸酯、聚丙乙烯等热塑性聚合物，也可为丙烯酸、橡胶和氟塑料等溶剂挥发型聚合物；本实施例中，基底7为SiO₂, 基片8为PDMS膜。

具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，包括以下步骤：

1）利用MEMS工艺，在基片8上制作微流道1、样品池2、废液池3和生长池4，在基底上制作第一电极5、第二电极6，最后通过键合工艺，将基底7和基片8组合成整体；本实施例中，微流道1、样品池2、废液池3和生长池4可通过软光刻、模塑法、热压法、LIGA工艺以及激光烧蚀工艺等技术加工在基片8上，键合工艺可为热键合、阳极键合或者低温键合；第一电极5和第二电极6可为铂等贵金属电极，用剥离法制作在基底7上，第一电极5和第二电极6可通过引线与外部控制电路相连；具体制作上述金属电极时，先在基底7的表面涂上一层光刻胶，经过曝光、显影后形成掩模图形（此时在不需要金属膜的区域仍然覆有光刻胶，而在需要金属膜的区域暴露出基底7），然后用镀膜的方法在整个基底7表面覆盖一层金属，金属膜在需要的区域与基底相接触，最后，将覆有光刻胶和金属的基底7浸泡于剥离液中，即可得到所需要形状的金属电极。

2）将含有贵金属的电解液滴入生长池4中，在每一对第一电极5之间通交流电，以在两个第一电极5距离最近的尖端上生长形成贵金属的纳米枝晶结构，在每一对第一电极5之间施加的交流电可为正弦波电压、方波电压、三角波电压，也可为偏置电压，其幅值大于3V，频率值位于1kHz和10MHz之间；滴入的电解液可为离子溶液或者络合物溶液，具体地，可为AuCl₃·HCl·3H₂O、Pd（acetate）₂、In（CH₃COO）₃、HAuCl_4·3H₂O、H₂PtCl_6·6H₂O、K₂PtCl₄以及Cu（NO₃）₂等溶液；本实施例中，滴入的电解液为浓度为1mmol/L 的AuCl₃·HCl·3H₂O溶液，利用函数信号发生器Ocean Instrument OI1842通正弦交流电，幅值在20V，频率在1kHz至10MHz之间，通电时长为10秒。

3）贵金属纳米枝晶结构形成后，在样品池2内加入去离子水，在每两个第二电极6之间或者第二电极6和第一电极5之间施加电压，使得样品池2内的去离子水流动以冲洗微流道1，具体地，施加的电压根据第一电极5和/或第二电极6的形状、尺寸、制作位置等来确定。

如图2所示，使用Renishaw公司的RM2000激光共焦显微拉曼仪，在室温环境下对本实施例制作的纳米枝晶SERS基底进行SERS活性测试，得到了浓度为1mmol/L的四巯基吡啶（4-MPy）的拉曼散射谱，激发光源为氩离子激光器，波长为514.5nm，光斑直径为2μm，积分时间为30s，测量2次；具体的测试步骤如下：

1）在一个样品池2中通入去离子水，在6个第二电极6之间接入行波电压，使得样品池2中的蒸馏水流入微流道1中，将原来的电动液冲洗进入废液池3内，冲洗的时间根据施加的行波电压等来进行计算，以确保冲洗干净；

2）在另一个样品池2中通入浓度为1mmol/L的四巯基吡啶（4-MPy）溶液，可通过计算确定具体通入的液体量，同样也在第二电极6之间接入行波电压，使得四巯基吡啶（4-MPy）溶液流入微流道1中进行检测，检测的过程中，可适当地调节电压的频率和幅值，使背景的荧光信号得到有效抑制，之后即可得到优良的被检测物的分子信号。

图2中，谱线①是在毛细管内去离子水溶液中获得，谱线②是将4-MPy溶液滴在生长有金纳米枝晶的硅片上，待溶液蒸发后，进行拉曼测试而得到，结果表明：金纳米枝晶SERS基底有良好的拉曼活性。

本发明实用交流电沉积的方法在预制电极之间的微区域内制备了纳米枝晶作为SERS基底，通过控制交流与直流偏置电压的幅值和交流电压的频率，可以控制枝晶结构的形貌、位置以及生长方向，由于该方法可以先封装器件后制备基底，并且可以在特定的位置和区域内制备基底，可用于基于SERS技术的生物芯片和MEMS/NEMS器件的研制；上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (10)

1.具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，所述芯片上设有至少一条微流道（1），其特征在于：所述微流道（1）的一端设有至少一个样品池（2），各样品池（2）均与微流道（1）相连通但彼此之间不相连通，所述微流道（1）的另一端设有至少一个废液池（3），各废液池（3）均与微流道（1）相连通但彼此之间不相连通，所述微流道（1）上设有至少一个生长池（4），微流道（1）均从每个生长池（4）中穿过，所述生长池（4）内设有至少一对具有尖端的第一电极（5），每一对中的两个第一电极（5）距离最近的尖端上均具有贵金属的纳米枝晶结构。

2.根据权利要求1所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述微流道（1）内设有至少一个第二电极（6）。

3.根据权利要求1所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述每一对中的两个第一电极（5）距离最近的尖端之间的距离为5μm~30μm。

4.根据权利要求1所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述的贵金属为金、铂或钯。

5.根据权利要求2所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述芯片包括：键合在一起的基底（7）和基片（8），所述第一电极（5）和第二电极（6）均设置于所述基底（7）上，所述微流道（1）、样品池（2）、废液池（3）和生长池（4）均设置于所述基片（8）上。

6.根据权利要求5所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述基底（7）为绝缘硅材料。

7.根据权利要求5所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片，其特征在于：所述基片（8）为固化型聚合物，或为热塑性聚合物或为溶剂挥发型聚合物。

8.如权利要求1至7中任一所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：

1）利用MEMS工艺，在基片（8）上制作微流道（1）、样品池（2）、废液池（3）和生长池（4），在基底上制作第一电极（5）、第二电极（6），通过键合工艺，将基底（7）和基片（8）组合成整体；

2）将含有贵金属的电解液滴入生长池（4）中，在每一对第一电极（5）之间通交流电，以在两个第一电极（5）距离最近的尖端上生长形成贵金属的纳米枝晶结构；

3）贵金属纳米枝晶结构形成后，在样品池（2）内加入去离子水，在每两个第二电极（6）之间或者第二电极（6）和第一电极（5）之间施加电压，使得样品池（2）内的去离子水流动以冲洗微流道（1）。

9.根据权利要求8所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于：步骤2）中，含有贵金属的电解液为离子溶液或者络合物溶液。

10.根据权利要求8所述的具有纳米枝晶拉曼基底的微流控芯片的制作方法，其特征在于：步骤2）中，在每一对第一电极（5）之间施加的交流电的幅值大于3V，频率值位于1kHz和10MHz之间。