基于表面增強(qiáng)拉曼光譜的光流體分析

翟玉翠

摘要：本文論述了基于表面增強(qiáng)拉曼光譜的光流體分析，表面增強(qiáng)拉曼散射（ SERS）有結(jié)合簡化免標(biāo)記被分析物，基于熒光檢測的低檢測極限和鑒別分析物特定分子拉曼光譜的潛力。為了增加拉曼散射的交錯(cuò)部分至幾個(gè)數(shù)量級的放大，SERS利用很好理解的由金屬納米結(jié)構(gòu)提供的電磁增強(qiáng)，以及一種由于金屬分子的相互作用的化學(xué)增強(qiáng)，這尚未得到很好的理解的。SERS已經(jīng)被用來觀察單分子的拉曼散射。盡管自SERS被提出已經(jīng)35年，這一強(qiáng)大的技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用依然十分有限。

關(guān)鍵詞：表面增強(qiáng)拉曼散射;光流體

中圖分類號：0657. 37

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1672 -1578（2019）08 -0284 -01

一個(gè)提高SERS實(shí)際應(yīng)用的方法是將檢測結(jié)構(gòu)融入一個(gè)承載其他功能的微流體系統(tǒng)中。共同實(shí)現(xiàn)使樣品通過在金屬納米顆粒膠體溶液中的通道和在一個(gè)微流體通道底部結(jié)合一個(gè)納米結(jié)構(gòu)表面。通常，然而，用微流體環(huán)境控制SERS測量可能對于檢測極限有害，因?yàn)楫?dāng)結(jié)合金屬納米結(jié)構(gòu)表面時(shí)減少了SERS活性位置的數(shù)目和在微流體環(huán)境中低分析物分子大量傳輸。近期的光流體SERS對于這些缺點(diǎn)進(jìn)行了彌補(bǔ)，通過增加目標(biāo)分析物分子的數(shù)量，這些分子被激勵(lì)源激勵(lì)或者與SERS活性表面相互作用，從而提高SERS的性能。

一個(gè)提高SERS機(jī)制的光流體方法是利用光子幾何尺寸延伸檢測體積，如此包含了更多檢測物分子和SERS活性點(diǎn)。例如，PCFs（圖le）利用多孔芯或包層作為一個(gè)微流體通道;激勵(lì)光和拉曼散射光子沿著PCF內(nèi)的樣品傳播，如此檢測體積延伸到整個(gè)PCF的長度。楊等人，利用空芯PCF作為微流體通道，而Khaing 00等人利用多孔包層。在兩個(gè)例子中，報(bào)道的羅丹明6G檢測極限在lOOpM左右，這比之前描述的傳統(tǒng)微流體SERS實(shí)現(xiàn)的檢測極限明顯變大了。這種光流體SERS概念被Measor等人翻譯到芯片的實(shí)現(xiàn)，運(yùn)用了之前討論過的ARROW結(jié)構(gòu)，使流體SERS增強(qiáng)集合其他芯片結(jié)合RS檢測的能力。

SERS還能利用微米和納米流體提高集中分析物或分析物納米顆粒聚集到檢測體積中。這增加了SERS的性能和實(shí)用性通過去除依賴運(yùn)送目標(biāo)擴(kuò)散到檢測體積中。王等人表示這可以被動地被實(shí)現(xiàn)通過用納米量級幾何尺寸的聚集的聚合物，特別通過利用一個(gè)位于進(jìn)口和出口之間的40 nm高的通道裝置。在這個(gè)方案中，由于高密度SERS活性點(diǎn)，在納米通道的進(jìn)口金屬納米顆粒被包裹。通過一個(gè)相似的概念，Park等人探測到Cy3標(biāo)記的登革熱病毒的DNA序列標(biāo)志。既然這樣，在入口使用聚二甲基硅氧烷彈性崩潰制成小到60nm納米流體通道。劉等人利用一個(gè)帶有微流體通道的納米多孔聚合物整體在三維基質(zhì)上捕獲和集中銀納米顆粒。該設(shè)計(jì)創(chuàng)造了三維SERS活性基質(zhì)，因而去除了被分析物分析擴(kuò)散到表面的需求。

活躍的微流體技術(shù)已經(jīng)被用于光流體SERS技術(shù)中來集中納米顆?；虮环治鑫锓肿樱ɑ騼烧撸﹥?yōu)于SERS檢測。Huh等人利用微流體腔室內(nèi)的電動力吸引金屬納米顆粒將目標(biāo)納米顆粒的結(jié)合物集中在SERS檢測體積中。電動力也可以被用來集中被分析物到SERS活性表面。Cho等人在SERS活性表面頂部創(chuàng)建了微流體通道，在通道的頂部組裝了一個(gè)電極。在電極和金屬納米結(jié)構(gòu)的表面之間施加的電勢，驅(qū)使被分析物分子到SERS活性表面，因而集中樣品體積中所有的被分析物到監(jiān)測區(qū)域，再次避免了依賴SERS活性表面與被分析物的相互作用擴(kuò)散的需求。開發(fā)這種微流體技術(shù)提供的巨大增強(qiáng)，Cho等人在集中度為lOfM時(shí)檢測了腺嘌呤。

另一個(gè)蘊(yùn)含巨大潛力增加SERS性能的光流體方法是利用SERS激勵(lì)的光流體諧振腔在微米或納米流體環(huán)境中。光共振器頂部的高強(qiáng)度場能夠作為SERS的高能量激勵(lì)源。盡管只有很少的報(bào)道利用光共振器作為SERS激勵(lì)源，這種光流體設(shè)計(jì)概念仍有大量未被探索。此外，建立在一些發(fā)展中的光流體，上面提到過的光流體諧振器方法與微納米流體集中方法的集成具有巨大潛力，這可以共同提供特殊的SERS性能。

除了增強(qiáng)檢測能力，光流體還允許知道現(xiàn)在還不可能的SERS的特殊應(yīng)用。例如，之前描述過的建立在PDMS上的納米通道，CHoi等人已經(jīng)證實(shí)的選擇性地檢測蛋白質(zhì)聚集物，這在許多疾病檢測中極為重要，包括阿爾茨海默氏。在納米顆粒在納米通道入口形成集中網(wǎng)之后，聚合的蛋白質(zhì)在監(jiān)測區(qū)域被捕獲并且產(chǎn)生SERS信號，而單體蛋白質(zhì)遷移通過監(jiān)測區(qū)域沒有被檢測。最近被Lee等人報(bào)道另一個(gè)光流體SERS應(yīng)用是將基于SERS的柱上檢測器與金屬離子層離法的分離結(jié)合。覆蓋了羧化的金納米顆粒的圓柱的內(nèi)表面不僅由于金屬離子選擇吸收特性作為分離介質(zhì)，而且作為SERS活性表面。這去除了如質(zhì)譜的分離后檢測裝置的需要。SERS的應(yīng)用期望將會繼續(xù)從光流體的新進(jìn)展中出現(xiàn)，包括引進(jìn)光學(xué)諧振微流體結(jié)構(gòu)，SERS結(jié)合水滴微流體和納米尺寸粒子的光捕獲。