高重复率的单分子表面增强拉曼微流控检测芯片研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) spectroscopy combined with microfluidics is a powerful technique widely used in biological, chemical molecule detection and environment monitoring. Recently, it is promising to pursuit the detection limit down to single-molecule level, at the same time raise its reproducibility. However, single-molecule SERS microfluidic chip is still challenging, due to the shortage of SERS with low reproducibility and environmental susceptibility, as well as the influence of “memory effect”. In this proposal, a protocol is proposed to solve these problems and accomplish this goal. Based on the photochemical effect, SERS substrate composed with silver nanoparticle aggregates are synthesized in the microfluidic channels. A process of second-time irradiation is introduced to induce the further reduction of new particles on the former SERS substrate. This process will generate numerous hot spot and greatly improve the enhancement ability of the substrate, and at the same time, eliminate the “memory effect” due to the photo bleaching. The detection limit can be as low as 0.1 pM. From a practical point of view, we would investigate the detection reproducibility at different probing concentrations for biological and drug molecules. This will provide a vital reference for the quantitative microfluidic SERS technique. Using well-accepted bianalyte approach, the proof for the single-molecule spectroscopy will be given.

表面增强拉曼（SERS）与微流芯片结合发展出的光谱检测手段可应用于物理传感、生化分析等领域。将微流SERS推向单分子光谱的检测极限，并提高检测重复性对其走向应用十分重要。然而，SERS重复率低、易受干扰，微流芯片“记忆效应”等问题，使进一步提高检测灵敏度十分困难。本项目将探索单分子水平SERS检测芯片的实现方法，解决单分子SERS发展中的重复性问题。我们将利用微区光还原方法在微流沟道内制备SERS基底，并引入激光辐照二次光还原过程，大幅提高SERS“热点”数量和质量，同时光漂白作用消除“记忆效应”，从而实现高重复率的原位SERS检测,检测极限好于0.1pM。同时，建立高效的微流SERS检测流程，将重复率与检测浓度的关系定量化，为SERS检测芯片应用提供关键参数。进一步，在微流系统中引入双分子分析法作为单分子光谱的判据，给出单分子光谱的可靠证据，并在此基础上应用于生物、药物单分子检测。

构筑具有高增强能力的表面增强微流芯片，发展具有超灵敏、快速的光谱检测手段，在传感、生化分析等领域具有重要意义。本项目按照研究计划，以超灵敏检测为主要研究目标，发展出基于微流的SERS检测芯片，实现了单分子检测水平高重复率的SERS检测技术，检测限可达0.1pM。进一步以微流芯片为基础，提出了基于微流控系统检测芯片的准内标定量检测流程，实现了对水中重金属Hg离子的超灵敏检测（检测极限1fM）。同时，发展出具有三维空间分布、高比表面积的SERS检测基底，实现了灵敏的气体检测。主要取得了以下研究进展：.1、发展出基于微流芯片的SERS检测手段，实现了单分子检测水平高重复率的SERS检测芯片。在此基础上，通过调控激光功率和照射时间获得了不同表面形貌的纳米聚集体结构，提高了SERS检测的灵敏度、重复性，从而发展更可靠的SERS检测芯片。.2、基于微流微流控检测芯片，实现了对水中重金属Hg离子的超灵敏检测。检测极限可达1fM，并在极宽的浓度范围（1n M-0.1pM）获得汞离子定量曲线。对实际水样中的汞离子含量进行定量分析，检测回收率可达113%。.3、提出了基于微流控系统检测芯片的准内标定量检测方法。以同一批次内待测分子的SERS强度作为参考对SERS曲线进行校准，解决了定量检测强度-浓度校准曲线鲁棒性差的问题。.4、发展出一种具有三维空间分布、高比表面积的SERS检测基底，实现了灵敏的气体检测。气体分子与金属纳米结构的吸附结合相比液体环境更难实现。我们以二氧化硅气凝胶为骨架，在气凝胶中有效的生成银纳米颗粒和团聚体，比表面积可增大几个量级，对气体分子的检测灵敏度可达0.05 ppm。该SERS粉末具有抗空气氧化的特点，便于实现临场快速检测也可以对气体实现灵敏的检测。.5、构建了新型远程SERS探测探针，发展出远程光谱探测手段。对纳米波导的传播、分光、纳米聚焦特性进行了系统研究，实现了非直接激发的表面增强检测，可广泛应用于光子元件、生物细胞检测等各个领域。.以上研究结果共发表文章10篇，其中发表在一区刊物3篇，二区3篇，受邀在Chin. Phys. B发表相关综述论文。工作受到了国内外专家的广泛引用和正面评价。获授权国家发明专利4项。国际国内学术会议邀请报告9次。毕业硕士生7人，博士生1人。