血液分離微流控SERS芯片的設(shè)計(jì)制備及其應(yīng)用研究-.pdf

1、微流控芯片具有較好的生物相容性，并且有著樣本需求量少，產(chǎn)生廢棄物少，反應(yīng)速度快，環(huán)境友好等獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，表面增強(qiáng)拉曼光譜（SERS）檢測(cè)技術(shù)靈敏度高，不需要復(fù)雜的樣本預(yù)處理，與微流控芯片具有很好的兼容性，在血液分析領(lǐng)域引起廣泛的關(guān)注。但目前針對(duì)血液樣本的微流控SERS分析檢測(cè)一體化方面的研究還比較少。其根本原因在于血液成分比較復(fù)雜，各物質(zhì)之間的特征峰可能發(fā)生重疊，因此需要SERS信號(hào)重現(xiàn)性好和靈敏度高的SERS基底。若能獲得適用于血

2、液成分檢測(cè)的高重現(xiàn)性和高靈敏度的SERS基底，將其集成在微流控芯片中，將有利于減少血液樣本的用量，實(shí)現(xiàn)血液成分的分離檢測(cè)一體化，并有利于實(shí)現(xiàn)血液相關(guān)疾病的快速診斷識(shí)別。
　　本文的主要研究?jī)?nèi)容及其結(jié)果如下：
　?、僭O(shè)計(jì)了血液分離微流控芯片，實(shí)現(xiàn)了血細(xì)胞和血清的有效分離，成功開展了血細(xì)胞和血清的普通Raman測(cè)試分析。根據(jù)血細(xì)胞和血清密度之間差異較大，因此相同條件下所受到的離心力作用不同的原理，設(shè)計(jì)出由分離-傾析結(jié)構(gòu)、混合管道

3、和 SERS檢測(cè)區(qū)構(gòu)成的圓形 PDMS-玻璃微流控芯片。8個(gè)單元結(jié)構(gòu)兩兩對(duì)稱分布，分離-傾析結(jié)構(gòu)位于遠(yuǎn)離圓心的位置，有利于增強(qiáng)離心力的作用。分離腔和傾析腔之間通道的垂直距離X分別為1mm、2mm、3mm，在1000rpm離心轉(zhuǎn)速下持續(xù)90s，X=2mm時(shí)血清-血細(xì)胞的分離傾析效果最好。通過對(duì)分離得到的血細(xì)胞進(jìn)行原位Raman測(cè)試，結(jié)果顯示，相比于開敞體系血細(xì)胞的Raman特征峰，微流控芯片中的血細(xì)胞背景熒光造成的基線漂移得到了明顯的降低

4、。并且，經(jīng)過分離濃縮的血細(xì)胞Raman特征峰更為豐富，峰強(qiáng)更強(qiáng)，將有利于血細(xì)胞特征峰的歸屬識(shí)別。對(duì)15例健康人和20例慢性腎衰竭患者的血細(xì)胞Raman譜圖進(jìn)行分析，結(jié)果顯示，健康人位于756cm-1、1004cm-1、1122cm-1、1226cm-1、1550cm-1、1640cm-1處譜線相對(duì)于1618cm-1處絡(luò)氨酸C=C振動(dòng)特征峰強(qiáng)度均比慢性腎衰患者強(qiáng)，與多數(shù)慢性腎衰竭患者均伴有不同程度的貧血的現(xiàn)象是一致的。并且1004cm-1

5、處健康人譜線強(qiáng)度比慢性腎衰竭患者略強(qiáng)，說明慢性腎衰減患者血細(xì)胞中苯丙氨酸的含量略低于健康人。而普通Raman測(cè)試不能獲得血清的有效Raman信息。
　　②基于金和銀優(yōu)異的等離子特性，設(shè)計(jì)了Ag film@nanoAu新型SERS基質(zhì)，成功地將其原位集成在“三明治”式微流控SERS芯片中，并開展了血清SERS測(cè)試。采用自組裝-化學(xué)鍍法將Ag film@nanoAu SERS基質(zhì)集成在簡(jiǎn)易“三明治”微流控芯片中，制備得到“三明治”微流

6、控SERS芯片。采用SERS常用探針分子R6G，對(duì)Ag film@nanoAu SERS基質(zhì)的制備條件進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，并對(duì)制備得到的微流控SERS芯片進(jìn)行了效能分析和血清SERS測(cè)試分析。PDDA濃度為0.01％，化學(xué)鍍時(shí)間為4min時(shí)，該微流控SERS芯片的SERS增強(qiáng)效果最佳。在最佳條件下制備得到的Ag film@nanoAu SERS基質(zhì)，相比于單一的金納米粒子膜和銀納米膜，R6G位于1507cm-1處C-C伸縮振動(dòng)峰的SERS信

7、號(hào)強(qiáng)度提高了3-5倍。測(cè)試時(shí)，當(dāng)激光聚焦在待測(cè)物分子與SERS基質(zhì)的界面上時(shí)可獲得最強(qiáng)的SERS信號(hào)；相同厚度的PDMS蓋片和玻璃蓋片對(duì)R6G的SERS信號(hào)強(qiáng)度分別衰減2.5倍和2.1倍。采用1mm厚的PDMS作蓋片，該微流控SERS芯片依然可實(shí)現(xiàn)10nM R6G的檢測(cè)，增強(qiáng)因子達(dá)3.8×105；不同批次制備的微流控SERS芯片獲得的R6G的SERS信號(hào)的RSD低至10%左右。將該微流控SERS芯片應(yīng)用于人血清的檢測(cè)，血清的特征峰得到了

8、明顯的增強(qiáng)，說明該微流控芯片可用于血清及血清成分的SERS測(cè)試研究。
　?、刍诩闪薃g film@nanoAu SERS基質(zhì)的微流控SERS芯片，開展了血清中肌酐的SERS測(cè)試分析，實(shí)現(xiàn)了慢性腎衰竭病人血清中肌酐含量范圍的初步判定。自組裝-化學(xué)鍍法制備的微流控SERS芯片對(duì)肌酐水溶液的檢測(cè)限為5×10-3mg/dl。將其用于血清中肌酐的SERS測(cè)試分析，血清中肌酐濃度為20.0-20.5mg/dl依然不能獲得肌酐的有效SERS

9、信號(hào)。采用自組裝法對(duì)微流控芯片中Agfilm@nanoAu SERS基底的制備條件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)優(yōu)化，提高對(duì)肌酐的檢測(cè)靈敏度。當(dāng)PDDA濃度為1%，金納米粒子粒徑約為10nm時(shí)，改進(jìn)后的Ag film@nanoAu SERS基底的SERS增強(qiáng)效果最佳。對(duì)肌酐的檢測(cè)限達(dá)到5×10-5mg/dl，比自組裝-化學(xué)鍍法制備得到的微流控SERS芯片降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。采用改進(jìn)后的微流控SERS芯片對(duì)人血清中肌酐進(jìn)行加標(biāo)測(cè)試，當(dāng)血清中肌酐濃度≥10.0mg

10、/dl時(shí)，肌酐位于678cm-1處的特征峰可以被明顯識(shí)別，而當(dāng)血清中肌酐濃度＜10.0mg/dl時(shí)，不能觀察到肌酐的位于678cm-1處的特征峰。將改進(jìn)后的Ag film@nanoAu SERS基底集成在血液分離微流控芯片的檢測(cè)區(qū)，對(duì)典型慢性腎衰竭病人血液分離，在檢測(cè)區(qū)對(duì)分離得到的血清進(jìn)行SERS測(cè)試，整個(gè)過程＜2min。測(cè)試結(jié)果顯示，SERS測(cè)試所得血清中肌酐含量范圍，與酶法測(cè)試數(shù)據(jù)一致。本文設(shè)計(jì)制備的血液分離微流控SERS芯片可實(shí)現(xiàn)