SERS－UTLC联用芯片对混合样品快速分离检测的研究

Surface enhanced Raman scattering (SERS) is a potential platform technique for fast bio-chemical detection applications compared to other sensing technologies. But for pratical applications, it faces many bottle-neck problems. One of the biggest challenges for SERS is to distinguish targeted analytes from complicated sample matrix for real samples. Here, we propose to develop a new platform technology based on integrated surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS) and ultra-thin layer chromatography (UTLC) for simultaneously separating and detecting targeted analytes from sample mixtures. The main research goals are the following. Theoretically we will build a multi-scale model to link the dynamic behaviors of analyte molecules in nanostructures and nanofluids with the parameters obtained from mass transport in macroscopic scale in order to predict the performance of SERS-UTLC. Experimentally we will chemically modify the surface of Ag nanorod arrays and optimize the mobile phase in order to change the fundamental interaction of analyte molecules and the nanostructure, and the hydrodynamics, to optimize and validate the proposed models. With the correct model, we could predict the performance of SERS-UTLC under different conditions and found the optimal conditions for different separation and detection mechanism. The results of this fundamental study will lay a foundation for future practical applications of the SERS-UTLC platform.

表面增强拉曼散射（SERS）在生化快速检测中具有其他检测方法不可比拟的优势，但SERS技术走向实际应用仍面临诸多瓶颈问题，最大的挑战就是如何从复杂的实际样品环境中分离并检测出靶定成分。针对此问题，提出了将SERS－UTLC（超薄层色谱）联用的方法，在同一纳米结构基底上可把目标分子从复杂环境背景中快速、简便地分离出来并进行高灵敏SERS检测。主要研究内容包括：理论上建立多尺度模型，将分子在纳米结构和纳尺度流体中的运动与宏观质量输运量相联系，从而分析预测SERS－UTLC的性能；实验上通过改变纳米结构、表面改性及使用不同展开剂，改善分子与纳米结构的相互作用和纳尺度流体行为，印证并优化理论模型；通过正确的模型来预测实验结果，从而阐明不同机制的SERS－UTLC联用规律，优化SERS－UTLC过程。本项目的研究成果将为SERS－UTLC生化传感器的实际应用奠定基础。

表面增强拉曼散射（SERS）在生化快速检测中具有其他检测方法不可比拟的优势，在环境污染物、食品添加剂以及生物样品检测中有广泛的应用前景。因此开发高灵敏和高重复性的活性基底至关重要。我们基于SERS技术灵敏度高、检测时间短、水干扰小及可原位检测的优点，利用倾斜角沉积技术制作了可控银纳米棒阵列结构，利用时域有限差分法计算了不同纳米结构的电场分布和SERS 热点分布，构筑了高性能 SERS生化检测芯片，并将其用于食品添加剂、食源性细菌、农药残留、地沟油的高灵敏度检测。在此基础上，通过表面修饰银纳米棒阵列结构，构筑了新型纳米复合结构，成功实现了抗生素和二噁英等环境有机污染物的灵敏检测。针对多组分的混合物检测问题，构建了SERS与超薄层色谱（UTLC）联用技术的研究系统，通过改变纳米结构、表面改性及使用不同展开剂，改善分子与纳米结构的相互作用和纳尺度流体行为，阐明了不同机制的SERS－UTLC联用规律，优化了SERS－UTLC实验过程。利用简单的真空吸附和向心力原理开发了旋转UTLC分离方法，集快速分离和SERS检测为一体，解决了常规UTLC过程耗时长的问题，实现了多种黄曲霉素和混合色素的快速分离检测。本项目的研究成果将为新型SERS纳米传感器的构建提供新思路，为食品安全和环境污染的实际应用奠定基础。