基于可控微电磁场的SERS微流控芯片分析研究

Surface-enhanced Raman scattering (SERS) can provide accurate molecular fingerprint information. The characteristics of fast detection, non - destructive, providing multi-component detection within the very small amount of the sample are very suitable for the needs of microfluidic of highly sensitive, rapid trace and miniaturization. However, reproducibility and stability of SERS substrate in the micro-channel hinder continuous detection. as well as the complex for fabrication, vulnerable to pollution, and the "memory effect" when carry on subsequent detection. This project proposed a strategy to fabricate a good fluidity and timely controlled aggregation SERS substrate, with which to build microfluidic module through a combination of nano technology and MEMS technology. The cleaning and recycling will be resolved due to the dispersibility of superparamagnetic nanoparticles. On this basis, with noble metal / superparamagnetic nano core/shell structure for the object, the law of controllable assembly of superparamagnetic nano SERS-active particles will be study under a controllable alternating electromagnetic field within the micro channel. The relationship between the state of aggregation of the SERS nanoparticles and their localized surface plasma resonance (LSPR) enhancement will be revealed. This will provide a theoretical foundation and technical data to realizing continuous microfluidic SERS detection. It will also provide the theoretical foundation for the controlling magnetic particles and SERS detection in biological or non- biological micro channel.

表面增强拉曼（SERS）光谱分析能够快速准确提供的分子指纹信息，可在极少的样品量下进行多组分检测，非常适合微流控芯片的高灵敏、快速、微量及微型化的需求。然而，微通道中SERS活性粒子的聚集状态难于控制,直接影响其SERS的重复性和稳定性。并且固定的基底易受污染，制作复杂，容易出现后续检测的信号高于本征信号的"记忆效应"。本项目拟通过纳米合成技术与微加工MEMS技术相结合，构建一个具有流动性好且能适时可控聚集的SERS检测微流控模块。以超顺磁纳米核壳结构为对象，利用超顺磁纳米粒子的分散性流动性实现芯片内适时聚集SERS增强，芯片外循环清洁。通过可控的多元微交变电磁场，研究微通道中超顺磁纳米SERS活性粒子的控制组装规律，揭示SERS纳米粒子的聚集态与其局域表面等离子增强之间的关联关系。为实现芯片的准确连续SERS检测提供理论基础。这些规律也将会对磁性粒子在生命微通道中控制与检测提供理论依据。

按照本项目计划任务书的要求，通过纳米合成技术与微加工MEMS技术相结合，构建一个具有流动性好且能适时可控聚集的SERS检测微流控模块体系;探索了并建立了在微通道中由外电磁场作用下调控SERS活性基底“热点”的原创性新方法，实现了以在微通道中高灵敏、重复性好、稳定的SERS活性基底的微流控芯片系统的构建。开展了磁性纳米颗粒/贵金属复合结构的设计及微纳米颗粒复合结构的功能化修饰技术和表征等有关研究工作；利用有限元分析软件模拟构建可产生均匀磁场的理论模型，以此为理论基础构建了可控的电磁线圈模型。探索了影响磁性贵金属复合微纳米结构颗粒的SERS性能以及外电磁场作用下调控SERS活性基底“热点”聚集组装的关键因素与规律。项目执行的四年间共发表SCI论文13篇，其中影响因子大于5的论文一篇，影响因子大于4的论文两篇，影响因子大于3的论文七篇。申请国家发明专利3项，专利获得授权2项。培养硕士研究生5名，博士研究生1名（另外两名还未毕业）。圆满完成了计划任务书中规定的研究内容。为进一步发展基于磁性贵金属复合微纳米结构SERS微流控芯片制作提供理论和技术支持。项目执行的四年间我们发展了系列磁性颗粒/贵金属复合纳米结构的可控制备方法，通过调控反应条件，成功制备了球形、仿锤形、立方形、米粒状、花状等多种不同形貌的磁性颗粒/贵金属复合纳米结构，此复合结构材料具有较高的饱和磁化强度和顺磁性，在均匀外电磁场下具有快速响应，并可循环重复利用，实现了农残福美双、爆炸物TNT等环境污染物的超灵敏检测,其中农药福美双的检测，检测限可达5×10-7 mol/L(0.012 ppm）;PATP浓度降至10-7 mol/L。尤其是纺锤状TbF3-Ag微纳复合结构材料具有最强的SERS性能，其对CV、PATP和R6G的检测限可分别低至10-11M、10-10M和10-14M，并具有良好的稳定性和可重复性。特别是通过超顺磁性Fe3O4/Au@Ag纳米复合颗粒的可以原位监测可逆的氧化还原反应，可用于亚硝酸根离子的检测。SERS基底对亚硝酸根NO2-离子检测限可以达到10-5 M，低于美国环保局关于水果的农残检测标准(71.4 μM)，对食物以及废水中亚硝酸根离子的检测具有潜在应用价值。这部分工作已经在 Sensors and Actuators B: Chemical, 2018, 256,107-116。