论文总字数：28932字

摘 要

微流控芯片分析系统和表面增强拉曼散射（SERS）检测技术的结合既能够发挥SERS技术快速、灵敏的优点，又使得生化检测过程自动化、高效化。如何通过合理设计SERS微流控芯片结构，改进检测方法，实现芯片上的高性能检测，是当前研究的焦点。本文围绕SERS微流控芯片的生化检测应用主要包括以下两部分内容。

1. 制备了聚二甲基硅氧烷（PDMS）-玻璃微流控银基底并研究其SERS特性。采用静电自组装的方法将银纳米粒子修饰在玻璃基底上，得到微流控SERS银基底，并用紫外-可见光消光谱、透射电子显微镜和扫面电子显微镜对结构和分布进行了表征。用该芯片检测4-巯基苯甲酸（4MBA）分子检测限可达到10^-11M，该SERS基底的增强因子为4×10⁶。

2.运用SERS检测技术在微流控细胞培养芯片上监测抗肿瘤药物的吸收和代谢过程。在微流控芯片上培养Hela细胞，并通入抗肿瘤药物（6-巯基嘌呤，6MP）的溶液，通过分析细胞内6MP分子的SERS光谱随时间的变化实时监测药物在Hela细胞中的吸收和代谢过程。本文中提出的SERS微流控芯片分析检测系统有望为生化检测提供一个新型工具。

关键词：表面增强拉曼散射，微流控，银基底，细胞培养，药物动力学行为

Abstract

The combination of microfluidic system and surface enhanced Raman scattering (SERS) not only exploits the rapidness and ultrasensitivity of SERS technique, but also allows automated and highly efficient biochemical analysis. Nowadays, researches focus on the design of novel SERS-microfluidic chips and the optimization of detection techniques to improve the performance of biochemical detection. Focused on the biochemical application of SERS-microfluidic chips, this article includes the following two parts. 1. The fabrication of Polydimethylsiloxane (PDMS)-glass microfluidic silver SERS substrate. Silver nanoparticles were self-assembled onto the substrate through electrostatic adhesion. Then they were characterized by UV-Vis extinction spectra, TEM and SEM image. The sensitivity of 4MBA detection using the obtained SERS-microfluidic chip reached 10^-11M and the SERS substrate has a enhancement factor of 4×10⁶. 2. Monitoring the dynamic process of intracellular drug absorption and metabolism in a cell culture microfluidic chip using SERS technique. Hela cells were cultured on a microfludic chip, followed by the injection of anticancer drug (6-Mercaptopurine, 6-MP). By monitoring the SERS spectra of 6-MP molecules in real-time, we were able to track the dynamic process of intracellular drug absorption and metabolism. The proposed SERS-microfluidic chips are expected to provide a new tool for biochemical detection.

Keywords: Surface enhanced Raman scattering, microfluidics, silver substrate, cell culture, Pharmacokinetics.

目录

摘要I

AbstractII

第一章 绪论1

1.1 引言1

1.2 表面增强拉曼散射光谱技术1

1.2.1 拉曼散射1

1.2.2 表面增强拉曼散射1

1.2.3 表面增强拉曼散射的机理1

1.2.4 表面增强拉曼散射的特点2

1.3 金属纳米粒子2

1.3.1 银纳米球的制备3

1.3.2 银纳米球的光学性质3

1.4 自组装4

1.4.1 共价键连自组装4

1.4.2 静电作用自组装4

1.5 微流控芯片4

1.6 基于SERS的微流控系统4

1.7微流控芯片系统内细胞培养及药代动力学研究5

1.8 论文主要工作5

第二章PDMS-玻璃微流控SERS基底的制备、表征及特性研究6

2.1 引言6

2.2 实验仪器6

2.3 实验材料6

2.4 实验部分7

2.4.1 银溶胶的制备7

2.4.2玻璃片清洗与活化7

2.4.3 静电吸附制备玻璃银基底7

2.4.4 微流通道内制备银基底7

2.5实验结果与讨论8

2.5.1 银纳米粒子的表征8

2.5.2 玻璃银基底的表征9

2.5.3银基底的SERS活性表征及增强因子计算10

2.5.4 PDMS-玻璃微流控SERS基底特性研究10

2.6 本章小结12

第三章PDMS细胞培养芯片内抗肿瘤药物的SERS检测和动力学行为研究13

3.1 引言13

3.2 实验仪器13

3.3 实验材料13

3.4 实验部分14

3.4.1 银纳米粒子制备14

3.4.2 细胞培养和内吞银纳米粒子14

3.4.3 培养皿内加6MP并SERS表征14

3.4.4 细胞在PDMS微流通道内培养14

3.4.5微流通道内细胞吞药以及对药物动态监测15

3.5实验结果与讨论15

3.5.1 微流控内吞银细胞的SERS表征15

3.5.2 PDMS微流控芯片内的细胞药物动力学行为分析16

3.6 本章小结19

第四章总结20

致谢21

参考文献22

1. 绪论

1.1引言

随着科学技术的不断发展，分析仪器不断的更新换代，人们对生物化学的分析检测也有着越来越高的要求。分析人员面临的研究体系也变得更加复杂。因此如何实现分析物化学信息和浓度等参数快速、准确地获取和分析检测，成为了一种亟需解决的问题。

相比较其他分析手段，表面增强拉曼光谱（SERS）具有分子特征峰的峰宽窄，不易被光漂白，预处理过程简单以及灵敏度高等独特优势，从而在生物化学、医学、表面科学、有机化合物分析、环境科学等领域得到广泛运用。其高强度光谱和高灵敏度使检测水平达到单分子级别，这使得表面增强拉曼光谱在单分子检测、痕量物质方面有着突出表现^[1,2]。

微流控技术经过20年的发展，也同样在分析化学领域取得广泛的应用。在微尺度条件下，流体的表面积与体积之比显著增大，这使得更多的界面被用来进行物质和能量交换，达到最终状态所需的物质和能量大大减少，反应效率得到显著提高。而且，微流控芯片所需要的消耗的试剂少，实验条件易于控制，安全系数也更高。不仅如此，微流控芯片能够实现从采样、混合、反应、测试等一系列流程的自动化和集成化，这也是分析化学未来的一个趋势。

将微流控技术和SERS技术结合的检测系统，能够在低消耗、微尺度的条件下，对一种或多种目标组分进行快速、准确的光谱定量分析。对于低浓度化学物质分析、细胞内药物检测都有着巨大的应用前景。

1.2表面增强拉曼散射光谱技术

1.2.1拉曼散射

1923年，德国科学家A.G.S.斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家拉曼在Nature杂志上发表文章^[3]，提出光照射到样品，会发生散射现象。其中一部分散射光频率与入射光相同，发生弹性散射，又称瑞利散射；另一部分光频率发生变化，发生非弹性散射，又称拉曼散射（Raman Scattering）。由它所产生的光谱称为拉曼光谱。

拉曼散射普遍存在于气体、液体、固体等各种分子中，每种物质有自己特定的拉曼光谱，因此拉曼光谱常被用于表征某一种物质。拉曼散射光频率的位移与入射光频率无关，其中散射频率小于入射频率时，称为斯托克斯位移，散射光频率大于入射频率则称为反斯托克斯位移。但其强度只有瑞利散射的千分之一，所以检测较为困难。

1.2.2 表面增强拉曼散射

拉曼散射光谱可以根据不同的样品选择不同的激发波长，并且提供分子结构的信息而不受溶剂的干扰。但是拉曼散射效应很弱，光强只有入射光的百万分之一到亿分之一，不能成为有效的实验工具。表面增强拉曼散射（SERS）的出现则解决了之一难题。1974年，英国科学家Fleisman等人^[4]在观察吸附在粗糙银电极表面的吡啶分子时，发现拉曼强度有显著的增强。但当时他们仅仅认为这是由于表面积增大导致吸附分子数增多导致的，而非SERS效应。1977年，Vanduyne^[5]和Creghton^[6]在各自独立研究后分别证明了粗糙银电极表面的每个吡啶分子的拉曼信号增强了约10⁶倍，并指出这是与粗糙银表面相关的拉曼散射效率的提高，即表面增强拉曼散射效应（Surface Enhanced Raman Scattering,SERS）。如今，能够产生SERS效应的基底也从原先的金、银、铜这几种贵族金属，发展到过渡金属以及半导体材料。SERS的研究领域也拓宽到电化学、材料科学等领域。

1.2.3 表面增强拉曼散射的机理

SERS产生需要分子吸附或者非常接近某些金属纳米机构的表面，因此SERS的产生依赖均由SERS活性的基底。随着分子与基底表面距离增加，SERS信号强度会急剧降低。一部分分子产生很强的荧光，会干扰拉曼光谱，但是在SERS基底会很好的淬灭荧光，从而得到良好的SERS信号。尽管有许多因素影响拉曼信号的增强，但至今还没有一个对所有的实验结果的完美解释。但科学界一般认为SERS理论模型分为电磁增强和化学增强两大类。

（1）电磁增强机理

电磁增强机理可以解释为金属表面局域电场的增强。其中最主要的模型是表面等离子体共振模型（Surface Plasma Resonance，SPR），它被认为是SERS增强中的主要来源。在入射光照射下，自由电子会在粗糙金属衬底表面激发形成表面等离子体。当入射光频率与表面等离子体的振荡频率相同时，就会发生共振，形成表面等离子体共振。共振会极大提高局域电场的强度，从而放大了拉曼散射光的强度。实验发现，金属粒子的形状会影响场增强的效果，而并非所有金属都能产生表面等离子体共振，因此使用粗糙银衬底是最主要的实验手段。局域电场增强使SERS增强的一个主要因素，一般可达10⁴。

（2）化学增强机理

SERS增强的另一个机理是化学增强。化学增强的效果通常是对增强前拉曼信号放大几十倍。这有助于解释一些电磁增强机理无法完美解释的问题。比如由于电磁增强对拉曼散射界面几乎相同的分子CO和NO₂在相同的金属表面相同的实验条件下理应由非常接近的增强倍数，然而实际的实验结果缺相差了约200倍。眼下比较认可的理论是电子传输机制，等效于在待测分子和金属表面原子之间产生一个新的化学键，作用相当于共振拉曼散射。一般情况下，分子最高占据分子轨道和最低分子未占据轨道关于金属费米能级对称，所以有约一般能量能够被用来完成电子转移。由于无法单独研究化学增强而不考虑其他SERS增强的贡献，因此目前对化学增强的贡献的研究还比较困难。

1.2.4表面增强拉曼散射的特点

（1）只有在贵金属Ag、Au、Cu，碱金属Li、Na、K以及部分过渡金属表面有明显的SERS效应。表面增强因子（SEF）可达到10⁶，Ag的SERS增强效果最好。

（2）SERS效应通常只发生在某些经过粗糙化的金属表面上，其粗糙度有亚微观（10~200nm）和微观级（2~10nm）。表面粗糙的方法有很多种，比较常用的有电化学氧化还原循环法（ORC），化学刻蚀法，电沉积法，真空溅射法，溶胶自组装法及氧化铝模板法等。

（3）SERS效应按作用距离，可分为长程性（分子离开表面数十埃乃至上百埃仍有增强作用）和短程性（分子离开表面数埃增强作用迅速减弱）。

剩余内容已隐藏，请支付后下载全文，论文总字数：28932字

相关图片展示：