飞秒激光加工构筑金属表面自驱动微流控SERS检测平台

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) based microfluidic chip technology has been widely developed, and it exhibits very important application value in many fields. In this method, additional SERS substrate is needed as a necessary condition to ensure the SERS measurement, which limits its application. At the same time, due to the property of microfluidic chip materials, it is difficult to integrate SERS substrate on the microfluidic chip directly. Femtosecond lasers can induce the formation of periodic surface structures on the surface of the materials, which can be used to control the surface wettability and plasma properties of the metal surface. It provides a powerful guarantee for the fabrication of the microfluidic chip. In this project, we intend to fabricate a microfluidic chip channel on the hydrophobic metal surface by femtosecond laser and ultimately build a self-driven microfluidic SERS detection platform with the study of the surface wettability and surface plasma property of the channel surface. The study in this project will solve the following problems: the combined control of the surface micro-nano structure, wettability and SERS activity of the substrate; the adsorption and desorption property of the detection sample on the channel surface; the stability of the SERS active substrate. We hope that the self-driven microfluidic SERS detection platform can provide theoretical and technical support for the development of microfluidic technology.

基于表面增强拉曼散射(SERS)技术的微流控分析具有很高的应用价值，但是需要额外引入增强基底作为SERS分析的必要条件，限制了其应用。同时，由于基底材料自身性质的限制，导致在其表面集成SERS基底较为困难。飞秒激光加工技术可以诱导材料表面产生周期性结构，能够调节材料表面浸润性以及表面等离子体性质，为微流控芯片制备提供有力保障。本项目拟利用飞秒激光，在经过疏水化处理的金属材料表面，加工微流控芯片通道。研究加工对材料浸润性的影响，驱动样品定向运动；调节通道表面等离子体性质及SERS增强能力，从而在金属材料表面构筑自驱动SERS检测平台。通过本项目的研究将解决：金属材料表面微纳米结构、浸润性、SERS活性三者协同调控问题；待测样品在SERS活性通道内的吸附与解吸附问题；SERS基底稳定性问题。希望这种自驱动微流控SERS检测平台能够为微流控技术的发展提供理理论支持以及实验技术保障。

本项目研究主要利用飞秒激光在金属半导体等材料表面加工构筑能够驱动液体自发运动的微流控通道，同时集成SERS活性基底，以SERS技术作为检测手，建立一种快速制备自驱动微流控SERS检测芯片的方法。主要研究内容包括：1. 基片材料表面浸润性改调；2. 飞秒激光加工自驱动微通道及其流体动力学研究；3. SERS活性基底的集成及其增强机理研究；4. 微型检测芯片制备及其对金属离子、荧光分子的分析检测应用。.利用飞秒激光直写技术，对经过疏水化处理的基片材料表面进行加工，在微米尺度上实现材料表面的控型与控性，制备获得能够驱动液体自发运动的超亲水特性的v型通道。基于Rye等人所提出的v型槽结构的流体动力学模型，考察了激光加工微通道内液体运动的动力学特性，证明了液体的自驱动现象来源于通道内的毛细作用。随后，探索了半导体材料、金属/半导体复合结构以及飞秒激光诱导周期性纳米结构三种基底材料的SERS活性，并从理论上分析研究了电磁场以及电荷转移增强机制对材料SERS活性的影响及贡献。设计并构筑了用于Hg2+检测的自驱动微流控SERS芯片，并实现了Hg2+的定量分析检测，检测灵敏度可达10-9M。另外，结合飞秒激光以及阳极氧化技术，制备用具有增强荧光性质的微阵列检测芯片。该芯片可以使得R6G分子的荧光光谱增强70倍。并且，利用这一检测芯片，能够实现多种组分荧光分子的检测分析，大大提高了检测灵敏度以及光谱分辨率。.通过本项目的研究，能够进一步明确飞秒激光微纳制造对微流控芯片表面结构形貌及表面物化性能的改调影响机制，为飞秒激光在微流控芯片制备领域提供理论支撑以及技术保障。同时，新型SERS活性基底的探索与研究，为SERS检测分析提供新的途径，并且能够为在微流控芯片内SERS活性基底的集成，提供新的思路。总体上，本项目的研究不仅为新型微流控芯片的研发提供契机，同时也为飞秒激光微纳加工提供新的应用方向，在微纳加工制备领域具有重要的借鉴与指导意义。