基于液芯波导的双sers基底芯片研究

《基于液芯波导的双sers基底芯片研究》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在学术论文-天天文库。

1、基于液芯波导的双SERS基底芯片研究重庆大学博士学位论文学生姓名：赖春红指导教师：陈刚教授专业：光学工程学科门类：工学重庆大学光电工程学院二O一六年四月StudyofthedoubleSERSsubstratechipbasedonaliquidcorewaveguideAThesisSubmittedtoChongqingUniversityinPartialFulfillmentoftheRequirementfortheDoctor’sDegreeofEngineeringByLaiChunhongSupervisedbyProf.ChenGangSp

2、ecialty:OpticalEngineeringCollegeofOptoelectronicEngineeringofChongqingUniversity,Chongqing,ChinaAprl,2016中文摘要摘要对细菌、病毒、DNA和活体细胞等样本进行快速、准确、无损检测，在生命科学研究领域具有重要意义。表面增强拉曼光谱（Surface-enhancedRamanSpectroscopy,SERS）技术具有检测速度快、样品无需标记、检测灵敏度高等特点，能从分子水平反映样本的内部结构信息，是生命科学领域的重要检测分析工具。将SERS技术与微流体分析

3、技术相结合的SERS芯片，利用微流体通道体积小和SERS检测灵敏度高的优势，可实现对微量、低浓度生物样本的检测。现有的SERS芯片存在激发光功率密度较大、重复性较差和集成度低等问题，难以满足生物样品分析需求。为此，本文提出一种将液芯波导、SERS基底及进出液通道集成一体的SERS芯片，通过减小液芯波导的损耗，增加光和样品分子的作用光程，增强拉曼信号；利用流动液体的平均作用改善信号重复性。最终实现低激发光功率密度、低损耗、高增强和可重复的集成SERS分析芯片，为生物样本的定量分析奠定基础。本论文主要研究液芯波导SERS芯片的相关理论、设计、加工制作及应用实验，

4、具体研究内容如下：①建立了液芯波导前向传输SERS信号的理论模型。重点研究了液芯波导SERS芯片中金属颗粒的材料属性、几何结构、颗粒粒径和分布密度等对局域场增强系数的影响；采用传输矩阵法分析了对称液芯波导的损耗特性；深入研究输出SERS信号强度与液芯波导损耗系数的关系。研究表明：液芯波导中银纳米球粒径2为50nm，分布密度为11颗/μm获得最大局域场增强；液芯波导最优长度约为损耗系数倒数的0.7倍；芯片中银颗粒密度随机分布时，前向散射检测方式比后向散射检测方式的重复性好。②提出了非全反射液芯波导SERS芯片和全反射液芯波导SERS芯片两种结构，并分别进行优化

5、设计。对涂覆层材料、涂覆层厚度、波导截面积和SERS基底构型等参数优化设计结果表明：非全反射液芯波导采用100nm厚的金反射薄膜和-3-1100μm宽的波导截面时，损耗系数为2×10cm；全反射液芯波导涂覆层采用折射率1.29的特氟龙AF2400，厚度大于5μm时，满足全反射条件，波导直径大于-3-1400μm损耗系数为1.457×10cm；波导内壁和液芯核同时分布银颗粒的双SERS基底能获得最大局域增强系数86.3。③研究了液芯波导SERS芯片加工工艺，对两种芯片的工艺流程、工艺参数进行了优化。非全反射液芯波导SERS芯片采用单晶硅进行制作，设计了基于湿法

6、腐蚀的沟道制作工艺，采用磁控溅射进行了100nm反射金膜的制备，利用粘合工艺完成了沟道基底和盖片的封装，并将银溶胶与检测溶液混合加入到沟道中形成I重庆大学博士学位论文波导核。全反射液芯波导SERS芯片采用微丝塑模法在柔性聚合物PDMS上制作出圆形微通道，然后在微通道内镀AF2400薄膜，最后将银溶胶沉积到波导内壁并注入到液芯核中形成波导核。成功研制了两种液芯波导SERS芯片样品，经表征-1非全反射液芯波导SERS芯片的损耗系数为3.1cm，全反射液芯波导SERS芯片-1的损耗系数为1.1cm。④液芯波导SERS芯片的性能测试和分析。搭建了透射式表面增强拉曼光

7、谱测试系统，对液芯波导SERS芯片的最优长度、检出限、增强系数和重复性等关键性能指标进行了测试和分析。测试结果表明：非全反射液芯波导芯片和全反射液芯波导芯片最优长度分别为2mm和7mm，与理论分析符合较好；非全反射液芯2波导SERS芯片在激发光功率密度为132W/cm条件下，实现对10nM罗丹明6G2溶液检测，全反射液芯波导SERS芯片在激发光功率密度为3.63W/cm条件下，检测10nM罗丹明6G溶液拉曼信号强度是非全反射液芯波导SERS芯片检测强度5的3倍；全反射液芯波导SERS芯片增强系数为2.5×10，信号重复性RSD为14.74%。⑤基于全反射液芯

8、波导SERS芯片，开展了生物样本测试实验研究，实现了