金納米SERS芯片

第一章背景介紹

SERS技術(shù)

表面增強(qiáng)拉曼技術(shù)(Surface Enhanced Raman Spectroscopy；SERS) 通過貴金屬(金或銀) 納米結(jié)構(gòu)的電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，將吸附于SERS基底上的目標(biāo)分子的拉曼信號(hào)放大百萬倍以上，從而實(shí)現(xiàn)多種物質(zhì)痕量檢測(cè)。其濃度檢測(cè)范圍一般為ppb~ppm級(jí)別。

目前SERS痕量檢測(cè)技術(shù)已發(fā)展成為食品安全快速檢測(cè)必/備技術(shù)。同時(shí)SERS技術(shù)還廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測(cè)， 公共安全， 生物醫(yī)藥及科研領(lǐng)域。

拉曼效應(yīng)

拉曼效應(yīng)指物質(zhì)分子由于運(yùn)動(dòng)而吸收光能，隨后通過再輻射向四周散射光能。拉曼散射中輻射光與入射光(吸收光)能量不同，其差值表達(dá)了物質(zhì)分子的結(jié)構(gòu)特征。拉曼效應(yīng)存在于一切分子中，無論氣體，液體或固體，其散射頻率一般是分子內(nèi)部振動(dòng)或轉(zhuǎn)動(dòng)頻率。類似于每個(gè)人都有不同于他人的指紋，每一種物質(zhì)(分子)有自己的特征拉曼光譜，因之人們可以根據(jù)物質(zhì)的拉曼譜圖鑒定這一物質(zhì)。目前全球范圍內(nèi)已收集了超過9000種物質(zhì)的拉曼譜圖。

SERS光譜VS拉曼光譜

物質(zhì)的常規(guī)拉曼信號(hào)較弱，需要一定數(shù)量才能夠被檢測(cè)(至少肉眼可見)。而SERS技術(shù)能極大的放大物質(zhì)分子的拉曼信號(hào)， 少數(shù)分子即可產(chǎn)生足夠的信號(hào)，因此是一種痕量分析技術(shù)。

SERS基底

SERS技術(shù)的核心是SERS增強(qiáng)基底， 不同納米結(jié)構(gòu)的SERS基底增強(qiáng)目標(biāo)分子拉曼信號(hào)的能力不同。通過調(diào)控基底的組成、形狀、尺寸、間距和聚集方式等可以優(yōu)化優(yōu)化基底的SERS增強(qiáng)活性。

W SER-3芯片基底

均勻性優(yōu)異：同一芯片不同區(qū)域點(diǎn)， 標(biāo)準(zhǔn)偏差(relative standard deviation； RSD)在10%以內(nèi)

SERS活性高：芯片的增強(qiáng)能力(Enhanced Factor) EF> 10

保質(zhì)期長(zhǎng)：使用周期大于180d

可定制化：可依據(jù)顧客需求，設(shè)計(jì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、表面狀態(tài)及外觀尺寸

芯片規(guī)格

包裝：5片/盒

第二章SERS芯片使用流程及注意事項(xiàng)

SERS檢測(cè)

檢測(cè)包括：1)樣品前處理，提取復(fù)雜介質(zhì)中的目標(biāo)物質(zhì)，并盡可能排除干擾物質(zhì)； 2) 將目標(biāo)物質(zhì)通過化學(xué)/物理吸附， 負(fù)載于SERS基底表面：3) 在微拉曼儀的激發(fā)光下， SERS基底將目標(biāo)分子的拉曼信號(hào)放大， 回饋微拉曼儀， 并通過儀器自動(dòng)識(shí)別，分辨目標(biāo)分子。

標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)流程

1.打開外包裝，取出置于塑料盒中保護(hù)的芯片；

2.注意不讓芯片活性區(qū)域接觸任何物質(zhì)表面，否則極有可能造成污染；

3.載入樣品，可選擇滴加、旋涂或浸泡；

4.待芯片晾干后，進(jìn)行測(cè)試。

注意事項(xiàng)

1.接觸芯片請(qǐng)配帶手套；

2.保持周圍環(huán)境干凈；

3.切忌接觸或刮擦活性區(qū)域；

4.高的空氣濕度會(huì)加大表面污染的概率；

5.空氣中不能有污染性氣體；

6.芯片不可回收。

7.測(cè)試參數(shù)選擇將影響測(cè)試結(jié)果。待測(cè)試參數(shù)(激光功率，積分時(shí)間，上樣方式等)*優(yōu)化后，選擇同樣的測(cè)試參數(shù)，可獲得可重復(fù)的結(jié)果。

加樣方式

滴加：用移液槍在SERS活性區(qū)域滴加5uL左右(可自行設(shè)定) 樣品溶液， 待溶劑揮發(fā)干后， 進(jìn)行SERS光譜采集。可通過適當(dāng)加熱(<80℃) 加快揮發(fā)速度，提高芯片基底與待測(cè)物質(zhì)結(jié)合效率。

蒸發(fā)：芯片也可通過吸附易揮發(fā)物質(zhì)氣體分子實(shí)現(xiàn)加樣

浸泡：對(duì)于與芯片作用力較強(qiáng)的目標(biāo)物質(zhì)，可采取溶液浸泡的方式加樣。將芯片浸沒于待測(cè)分子溶液中， 吸附一段時(shí)間(>10min) 后取出， 用溶劑沖洗后晾干，隨后進(jìn)行檢測(cè)。相對(duì)而言，通過浸泡方式加樣，所獲得的檢測(cè)結(jié)果重現(xiàn)性較高。

參數(shù)選擇

1.焦距：為確保激光焦平面在樣品表面，可用X-Y-Z三維平臺(tái)進(jìn)行聚焦，或選取固定焦距配件進(jìn)行聚焦。

2.功率：激光功率選取與激光斑點(diǎn)尺寸有關(guān)，原則上激光功率密度不高于1600W/cm²，相對(duì)于785nm激光，當(dāng)激光點(diǎn)直徑為150um時(shí)，可選擇不超過400mW功率。若激光功率太高，易使目標(biāo)分子發(fā)生碳化。

3.積分時(shí)間：提高積分可以提高樣品信號(hào)，但同時(shí)也會(huì)增加基底背景及熒光背景。

4.積分次數(shù)：提高積分次數(shù)可增加信噪比，但也增加樣品碳化幾率。

儲(chǔ)存

1.氮?dú)鈿夥障卤４?可放置大于180天)

2.室溫儲(chǔ)存，至于干燥環(huán)境中(保干器)；

3.有效期內(nèi)使用， 否則其SERS活性會(huì)顯著下降。

常見問題

1.SERS芯片適用哪種拉曼儀?

SERS基底材料為Au， 因此可選擇激光波長(zhǎng)為633nm及785nm的拉曼檢測(cè)儀。

2.如何知道目標(biāo)分子為拉曼活性的?

可事先通過查閱文獻(xiàn)資料獲得，或來電/咨詢本公司技術(shù)人員獲取參考意見。

3.基底活性降低是什么原因?如何避免?

基底由于緩慢氧化會(huì)導(dǎo)致SERS活性持續(xù)降低， 通常可將芯片放入氮?dú)鈿夥障聝?chǔ)存，以減緩活性區(qū)域的氧化速度。但這種氧化不可避免，只能盡量減緩。因此建議盡早使用芯片，以獲得更佳的使用效果。

4.芯片基底可以重復(fù)使用嗎?

不可以。在檢測(cè)過程中， 目標(biāo)分子會(huì)與芯片基底發(fā)生強(qiáng)吸附以獲得更好的SERS響應(yīng)。測(cè)試結(jié)束后，若要將分子解吸附，需進(jìn)行較為激烈的處理。通常這些處理均會(huì)對(duì)芯片原有結(jié)構(gòu)造成不可預(yù)期的破壞， 因此不建議用戶重復(fù)使用SERS芯片基底。

第三章結(jié)構(gòu)參數(shù)及應(yīng)用實(shí)例

1.SERS活性

A)增強(qiáng)因子(EF)

EF定義為相同數(shù)量物質(zhì)分子的SERS信號(hào)與常規(guī)拉曼信號(hào)強(qiáng)度之比， 表示為：

其中I urf和Ib uk分別為表面和溶液相分子某個(gè)振動(dòng)的積分強(qiáng)度， Nuri和Nb uk分別對(duì)應(yīng)于同一入射光束下表面吸附的分子數(shù)和體相的分子數(shù)。經(jīng)過計(jì)算， 天際創(chuàng)新SERS芯片對(duì)1mM吡啶分子的SERS增強(qiáng)為5×108。另一方面， 天際創(chuàng)新SERS芯片粒子間距~2nm， 理論計(jì)算也表明其SERS增強(qiáng)EF>108。

B) 檢測(cè)限(Limit of Detection， LOD)

指由基質(zhì)空白所產(chǎn)生的儀器背景信號(hào)的3倍值的相應(yīng)量，或者以基質(zhì)空白產(chǎn)生的背景信號(hào)平均值加上3倍的均數(shù)標(biāo)準(zhǔn)差。

2.均勻性

為了表征整個(gè)SERS基底的均一性， 對(duì)基底進(jìn)行大區(qū)域的拉曼成像。成像范圍為4.98*4.56mm，數(shù)據(jù)點(diǎn)共計(jì)25232=166*152，步長(zhǎng)為30um。探針分子為濃度1uM的4，4-聯(lián)吡啶，選擇1291cm處拉曼峰的峰強(qiáng)度進(jìn)行拉曼成像，成像的結(jié)果如下。其中， 黃色為SERS基底中間區(qū)域， 藍(lán)色對(duì)應(yīng)的是SERS基底的邊緣區(qū)域， 黑色為SERS基底之外的空白的區(qū)域。從拉曼的成像結(jié)果可以看出， 合成的SERS基底較為均勻， RSD<10%。

從電鏡結(jié)構(gòu)可以看到，芯片基底表面大部分為3~6個(gè)納米粒子的聚集體結(jié)構(gòu)，在數(shù)十微米尺度的激光斑點(diǎn)下，其均勻性十分優(yōu)異。

3.重現(xiàn)性

選取20片不同批次生產(chǎn)的SERS芯片， 在同一條件下進(jìn)行測(cè)試。以其中任意一條光譜為標(biāo)準(zhǔn)，在微拉曼儀器上建立數(shù)據(jù)庫(kù)。通過自動(dòng)匹配來檢驗(yàn)其余芯片測(cè)試結(jié)果，設(shè)置儀器自動(dòng)匹配度為85%，其余結(jié)果顯示*符合，且信號(hào)強(qiáng)度波動(dòng)在15%以內(nèi)。

4.穩(wěn)定性

選取同一批次芯片，每隔3天取1片進(jìn)行相同條件下測(cè)試，記錄信號(hào)隨時(shí)間變化。

5.定量性

分別對(duì)同一物質(zhì)不同濃度測(cè)試結(jié)果設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)庫(kù)，通過儀器自動(dòng)識(shí)別匹配。