基于微流控的自组装SERS芯片研究

作     者：王桂林 

作者单位：电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：唐宗熙

授予年度：2022年

学科分类：080903[工学-微电子学与固体电子学] 0809[工学-电子科学与技术（可授工学、理学学位）] 08[工学] 

主      题：微流控 自组装 生物医学传感 表面增强拉曼散射(SERS) 

摘      要：本论文主要研究了基于微流控的自组装表面增强拉曼散射(Surface Enhanced Raman Scattering,SERS)芯片。SERS技术是一种强有力的表面检测分析工具,可应用于生物医学传感。而微流控技术可以用来处理待测样本,两种技术的结合使SERS的应用更加广泛。本文中使用化学自组装的方式,成功地制备出具有低检测限的SERS基底,同时与可以分离血细胞的微流控芯片结合,成果应用于癌症患者的血液检测。首先,本论文基于法诺共振(Fano resonence)机制提出了一种金纳米颗粒-介质层-金膜三明治结构,通过有限元仿真对此结构进行仿真,得到了金纳米颗粒-介质层-金膜三明治结构的吸收截面和散射截面、以及电磁场分布图。此外,本论文还详细介绍Fano共振的产生原理和调控机制。通过改变金纳米颗粒-介质层-金膜三明治结构的参数来调控Fano谷的位置,当Fano谷的位置最接近785 nm时,此时激发出的SERS信号强度是最强的。对Fano共振效果影响最大是金纳米颗粒-金膜之间的间距和金纳米颗粒的直径尺寸。通过仿真初步得到金纳米颗粒的最佳尺寸以及最佳球膜间距。其次,根据有限元仿真的结果,本文设计了一种简易的SERS基底制备方法。通过使用生物素-链酶亲和素链接化学官能团修饰的方式,本文在镀金的薄膜上自组装形成单层紧密分布排列的金纳米颗粒。此外,通过控制聚乙二醇分子量大小调整金膜与金纳米颗粒的间距,SERS基底最终具有良好的均一性。当拉曼激光为785nm时,SERS基底对4-氨基苯硫酚(4-ATP)的拉曼信号增强效果较好。最后,本论文设计了一种可以分离血液中的血细胞的微流控芯片,该芯片可以对微量待测物进行高通量、快速、无损的检测分析。通过光刻法和塑模法制备出PDMS微流控通道,并将SERS基底固定在微流控通道中,本文可以实现同一样本的血液与血浆同时检测。实验表明,该微流控SERS芯片可以从血液分离出血细胞,并检测分离后的得到的血浆,在体外诊断(in vitro diagnosis,IVD)方面有较好的前景。