微流控芯片中表面等离激元增强拉曼光谱活性基底的纳米制造

近年来，微流控芯片除了在化学与生物分析飞速发展外，在纳米材料反应合成和纳米粒子操纵领域也取得不少重大成果。将微流控芯片应用于纳米制造可以发挥其物理化学环境易控制、易寻址表征、易进行纳米操纵和易与其他技术步骤集成等优势，使其成为新的纳米制造研究平台和拓展微流控芯片的应用。本项目旨在以高活性高均匀性表面等离激元拉曼光谱增强活性基底为目标，结合常规微纳米加工技术、纳米粒子自组装、芯片中化学或电化学金属沉积技术等，重点探索微流控芯片中高均匀性、超小纳米间隔的纳米结构的加工制造技术，以及微米尺度特殊物理化学现象对加工过程与结果的影响。为纳米制造提供新的技术平台，另一方面拓展微流控芯片和拉曼光谱的应用。

近5年来，由于激光技术、计算机技术以及纳米技术的突飞猛进，等离激元增拉曼光谱（PERS）技术（包括表面增强拉曼光谱SERS、针尖增强拉曼光谱TERS、核壳结构纳米粒子增强光谱SHINERS等）取得了非常大的进步，在实验室从物理或物理化学等少数领域走向分析、半导体、国防、环境等广泛领域的应用，并开始了市场化的征程。目前，阻碍PERS技术走向市场实际应用的最主要困难在于高效、均匀及稳定的PERS活性基底的制造技术（这里，制造专指可重复的、稳定的、可批量化的生产制备技术）。本项目的计划及重点研究内容就着眼于解决这个问题，并取得了初步的成效。.总体而言，PERS基底主要可以分成两大类：具纳米结构的块状固体表面，胶体或纳米粒子。我们针对这两类基底，分别进行了基于纳米压印，基于纳米球组装，以及基于原子层沉积的可批量化可重复制造技术的探索，并取得良好成果。其中，基于纳米压印技术制备的“蘑菇”型银阵列基底其获得的拉曼增强信号较市售芯片Q-SERS高约三个数量级，并具有优越的非线性光学特性，该成果申请的专利正在办理PCT到欧美的手续。利用原子层沉积技术，开发和建立了20克级SHINERS粒子的制备技术，可以在金、银或铜纳米粒子表面可控沉积1-3纳米厚度的薄壳（氧化铝、氧化钛或氧化硅），壳层厚度均匀且没有针眼，并具有较强的PERS活性。.实际应用中，PERS的检测对象通常是复杂体系中的痕量物质，检测前需要进行过滤、萃取、浓缩等复杂的前处理，而微流控芯片是进行复杂前处理的强有力工具，因此我们将PERS检测与微流控芯片前处理相结合，进行了猪毛中瘦肉精、面粉中增白剂以及中药材中硫磺熏蒸残留物的分析检测。其中，猪毛中瘦肉精的检测可以达到1fg/ml。同时，结合“纳米制造的基础研究”的主题，进行了玻璃微流控芯片低成本制造技术的探索，提出并建立了基于电化学软印章技术的玻璃微流控芯片批量制备技术，50片以上的成本较目前的基于光刻法可以降低至约五分之一。此外，我们发展了基于金属钯膜的电化学质子泵技术，可以自由调控微通道中的溶液pH值，使得猪毛等生物样品的强酸水解样品可以直接在微流控芯片上进行分析及检测。