金納米SERS芯片

第一章背景介紹

SERS技術(shù)

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

目前SERS痕量檢測技術(shù)已發(fā)展成為食品安全快速檢測必/備技術(shù)。同時SERS技術(shù)還廣泛應(yīng)用于環(huán)境檢測， 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)分子由于運動而吸收光能，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)部振動或轉(zhuǎn)動頻率。類似于每個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)拉曼信號較弱，需要一定數(shù)量才能夠被檢測(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， 少數(shù)分子即可產(chǎn)生足夠的信號，因此是一種痕量分析技術(shù)。

SERS基底

SERS技術(shù)的核心是SERS增強基底， 不同納米結(jié)構(gòu)的SERS基底增強目標分子拉曼信號的能力不同。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， 標準偏差(relative standard deviation； RSD)在10%以內(nèi)

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

保質(zhì)期長：使用周期大于180d

可定制化：可依據(jù)顧客需求，設(shè)計產(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

SERS檢測

檢測包括：1)樣品前處理，提取復雜介質(zhì)中的目標物質(zhì)，并盡可能排除干擾物質(zhì)； 2) 將目標物質(zhì)通過化學/物理吸附， 負載于SERS基底表面：3) 在微拉曼儀的激發(fā)光下， SERS基底將目標分子的拉曼信號放大， 回饋微拉曼儀， 并通過儀器自動識別，分辨目標分子。

標準檢測流程

1.打開外包裝，取出置于塑料盒中保護的芯片；

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，進行測試。

注意事項

1.接觸芯片請配帶手套；

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.測試參數(shù)選擇將影響測試結(jié)果。待測試參數(shù)(激光功率，積分時間，上樣方式等)*優(yōu)化后，選擇同樣的測試參數(shù)，可獲得可重復的結(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， 進行SERS光譜采集?？赏ㄟ^適當加熱(<80℃) 加快揮發(fā)速度，提高芯片基底與待測物質(zhì)結(jié)合效率。

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

浸泡：對于與芯片作用力較強的目標物質(zhì)，可采取溶液浸泡的方式加樣。將芯片浸沒于待測分子溶液中， 吸附一段時間(>10min) 后取出， 用溶劑沖洗后晾干，隨后進行檢測。相對而言，通過浸泡方式加樣，所獲得的檢測結(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三維平臺進行聚焦，或選取固定焦距配件進行聚焦。

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

3.積分時間：提高積分可以提高樣品信號，但同時也會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。

儲存

1.氮氣氣氛下保存(可放置大于180天)

2.室溫儲存，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為633nm及785nm的拉曼檢測儀。

2.如何知道目標分子為拉曼活性的?

可事先通過查閱文獻資料獲得，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導致SERS活性持續(xù)降低， 通常可將芯片放入氮氣氣氛下儲存，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.芯片基底可以重復使用嗎?

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

第三章結(jié)構(gòu)參數(shù)及應(yīng)用實例

1.SERS活性

A)增強因子(EF)

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

其中I urf和Ib uk分別為表面和溶液相分子某個振動的積分強度， Nuri和Nb uk分別對應(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)過計算， 天際創(chuàng)新SERS芯片對1mM吡啶分子的SERS增強為5×108。另一方面， 天際創(chuàng)新SERS芯片粒子間距~2nm， 理論計算也表明其SERS增強EF>108。

B) 檢測限(Limit of Detection， LOD)

指由基質(zhì)空白所產(chǎn)生的儀器背景信號的3倍值的相應(yīng)量，或者以基質(zhì)空白產(chǎn)生的背景信號平均值加上3倍的均數(shù)標準差。

2.均勻性

為了表征整個SERS基底的均一性， 對基底進行大區(qū)域的拉曼成像。成像范圍為4.98*4.56mm，數(shù)據(jù)點共計25232=166*152，步長為30um。探針分子為濃度1uM的4，4-聯(lián)吡啶，選擇1291cm處拉曼峰的峰強度進行拉曼成像，成像的結(jié)果如下。其中， 黃色為SERS基底中間區(qū)域， 藍色對應(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， 在同一條件下進行測試。以其中任意一條光譜為標準，在微拉曼儀器上建立數(shù)據(jù)庫。通過自動匹配來檢驗其余芯片測試結(jié)果，設(shè)置儀器自動匹配度為85%，其余結(jié)果顯示*符合，且信號強度波動在15%以內(nèi)。

4.穩(wěn)定性

選取同一批次芯片，每隔3天取1片進行相同條件下測試，記錄信號隨時間變化。

5.定量性

分別對同一物質(zhì)不同濃度測試結(jié)果設(shè)置標準數(shù)據(jù)庫，通過儀器自動識別匹配。