李博伟;陈令新
【摘 要】自控温伴热带
微流控芯片实验室是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术,具有灵活集成多种单元技术,降低样品消耗量等优势.拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术,被广泛应用于化学、物理和生物科学等诸多学科领域,基于纳米银或金粒子的表面增强拉曼(SERS)技术具有非常高的灵敏度,可对环境中的污染物和生物分析样品进行痕量分析.该文主要对表面增强拉曼光谱微流控芯片领域的研究进展进行总结,包括纳米粒子合成、芯片设计以及常见的传感器类型,介绍了其在生命科学、环境监测等领域的应用,显示了其广阔的应用前景. 【期刊名称】《分析测试学报》
【年(卷),期】2015(034)003
【总页数】6页(P302-307)
【关键词】微流控芯片;芯片实验室;表面增强拉曼;环境污染物;生物分析;综述
【作 者】李博伟;陈令新
【作者单位】中国科学院烟台海岸带研究所,中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室,山东烟台264003;中国科学院烟台海岸带研究所,中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室,山东烟台264003
【正文语种】中 文
【中图分类】O657.1;G353.11
基于表面增强拉曼光谱微流控芯片的研究进展
电厂巡检机器人李博伟，陈令新
*
(中国科学院烟台海岸带研究所，中国科学院海岸带环境过程与生态修复重点实验室，山东 烟台 264003)
摘 要:微流控芯片实验室是一种以在微米尺度的空间中对流体进行操控为主要特征的技术，具有灵活集成多种单元技术，降低样品消耗量等优势。拉曼光谱是一项重要的现代光谱技术，被广泛应用于化学、物理和生物科学等诸多学科领域，基于纳米银或金粒子的表面增强拉曼(SERS)技术具有非常高的灵敏度，可对环境中的污染物和生物分析样品进行痕量分析。该文主要对表面增强拉曼光谱微流控芯片领域的研究进展进行总结，包括纳米粒子合成、芯片设计以及常见的传感器类型，介绍了其在生命科学、环境监测等领域的应用，显示了其广阔的应用前景。
链轮设计关键词:微流控芯片;芯片实验室;表面增强拉曼;环境污染物;生物分析;综述
中图分类号:O657.1; G353.11 文献标识码:A 文章编号:1004-4957(2015)03-0302-06
doi:10.3969/j.issn.1004-4957.2015.03.008
收稿日期:2015-01-10;修回日期:2015-02-02
编织袋折边器基金项目:国家自然科学基金资助项目(21275158，21205131);中国科学院重要方向性项目(KZCX2-EW-206)
*通讯作者:陈令新，博士，研究方向:生命分析化学及纳米分析化学，Tel:0535-2109130，E-mail:lxchen@ yic.ac
Advance in Microfluidic Chips Based on Surface Enhanced Raman Spectroscopy Technique
LI Bo-wei，CHEN Ling-xin
*
(Key Laboratory of Coastal Environmental Processes and Ecological Remediation，Yantai Institute of Coastal Zone Research，Chinese Academy of Sciences，Yantai 264003，China)
Abstract:Microfluidic chip is a kind of technology manipulating fluids in micrometer scale with advantages of flexible integration of variety of cell technology，reducing sample consumption and etc.Raman spectroscopy is an important spectroscopic technique used widely in the fields of chemical，physical and biological sciences，and many other discip
预埋槽道
lines.Moreover，based on the surface of silver or gold nanoparticles，the enhanced Raman(SERS) technique has very high sensitivity that could be easily used for monitoring environmental pollutants and biological analysis of samples.This paper mainly summarizes the research progress of microfluidic chip in the field of surface-enhanced Raman spectra，including nanoparticle synthesis，chip design and common sensor types，and introduces its applications in life sciences and environmental monitoring，which reveals its broad application prospects.
Key words:microfluidic chip; lab on a chip; surface-enhanced Raman; environmental pollutent; bioanalytical analysis; review
表面增强拉曼散射(Surface enhanced Raman scattering，SERS)现象自被发现以来已有40多年的历史，因其具有高灵敏度、高选择性、检测时间短、无损检测等优势而被广泛应用于环境、化学检测、生物医学诊断等领域。伴随着纳米科技和激光技术的进步，SERS技术具有非常诱人的发展前景。而金属纳米材料拥有独特的光电性质，比如特定尺寸的贵金属纳米粒子能够产生理想的SERS效应，特别是当纳米粒子之间产生“热点(Hot spots)”效应时，SERS增强因子最高可达10
12～10
15倍
［1］，从而可实现单分子检测。经历多年的发展后，表面增强拉曼光谱在化学、生物学、物理学以及材料科学等方面有着重要的应用
［2］。从目前研究来看，贵金属纳米粒子的拉曼增强效果远强于其他金属，其中又以银纳米粒子的拉曼增强能力最为显著。
微流控芯片是一个多学科高度交叉的综合学科，是以在微米或者纳米尺度空间对流体进行操控为主要特征的技术平台，微型化、试剂用量少、快速高效以及易于与其他装置集成是微流控芯片的主要优势。微流控芯片和表面增强拉曼两种技术有着不同的优势，而将这两种技术相结合的综合交叉研究和发展倍受关注
［3］。
1 表面增强拉曼的微流控芯片系统
1.1 金属纳米粒子
自1974年Fleischmann等首次在吡啶吸附的粗糙银电极上观察到表面增强拉曼散射(SERS)现象以来，SERS凭借其本身的高灵敏度、高选择性和高特异性而被广泛应用。SERS技术已成为最灵敏的分析手段之一，在食品安全、环境监测和生物成像等领域均有广泛的应用
［4］。金属纳米材料在尺寸的变化下有着独特的光电性质，很多特定尺寸的贵金属纳米粒子能够产生理想的SERS效应
［5］，其中以金和银的研究最为广泛。金纳米粒子有着很多优良性能，包括稳定性好，形状可控，粒径分布均匀等。但相比于银纳米粒子，金的拉曼增强效应一般比其低10～1 000倍;因此银纳米颗粒的应用比金纳米粒子更为广泛。最常用的合成银纳米颗粒的方法有盐酸羟胺
［6］和硼氢化钠
［7］还原等方法。同时金属纳米粒子的团聚对于表面增强拉曼信号的提高有着重要的影响，因此，为了获得最优的拉曼增强信号，控制粒子的团聚变得非常重要。根据相关报道，团聚的银纳米颗粒的信号远高于非团聚状态下的情况
［8］。
为了实现表面增强拉曼可重复性检测，如何在微流控通道中实现被分析对象和金属纳米粒子间的有效混合变得极为重要。在微尺度下，流体的雷诺系数(Reynolds)比较小(通常＜1)，通道内流体的运动主要以层流为主，混合主要依靠分子的自由扩散，这样很难实现快速有效的混合;为了实现芯片上样品的混合，按照有无外界能量驱动的方式可分为被动混合和主动混合两种
［9-10］。被动混合主要依赖于流体通道的内部结构和几何特性，通过改变流体的流动方式，增大混合面积等来提高混合效率，具有操作简单灵活的特性;主动混合是通过
外场(包括电场
［11-12］、磁力
［13］、超声波
［14］、蠕动泵等)的作用在通道内使液体间产生相互运动来达到混合的效果。Yea等工业机器人装配
［15］在含有类似鳄鱼牙齿形的PDMS微流体通道内使用表面增强拉曼光谱对水体污染物中的进行研究，检测灵敏度可达0.5 ppb水平，与先前报道的分析方法相比，增强了2～3个数量级(如图1A所示)。类似鳄鱼牙齿形的芯片还被用于双染料标记DNA序列的检测
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