张永来：激光画龙点睛——微流控芯片上的表面增强拉曼散射技术

江苏激光联盟导读：

面向国家重大需求，传播最新研究成果，《中国激光》联合国家重点研发计划——“超快激光微纳制造机理及新方法”项目，组织策划同名专题。

该专题为《中国激光》“前沿激光制造”半月刊首秀，共收录20篇特邀论文，详情请点击查看专题网页。

本专题推荐5篇子课题代表作作为“亮点文章”。本文来源于项目骨干成员吉林大学张永来教授团队——“微流控拉曼检测芯片的制备与应用”。

撰稿人：李春赫张永来

背景介绍

微流控系统，就是在微米尺度空间对流体进行操控，将生物、化学等大型实验室的基本功能微缩到一个数平方厘米芯片上。如今，微流控芯片已经发展成为一种技术平台，既可以应用于化学分析、生物医学分析、食品检验，又可以作为微反应器进行药物、纳米粒子、微球等合成，还能作为器官芯片，用于仿真人体器官中的功能单元。

微流控芯片实验室是把生物和化学实验所涉及的反应、筛选、检测等基本功能单元集成到芯片上的微反应系统。相较于传统的宏观大体积系统， 微流控芯片系统具有高通量分析、高效检测、低消耗、安全和便携等优点，被Nature杂志称为“创世纪的前沿技术”。微流控芯片在基础科学和实际应用两个方面都备受关注，目前已经广泛应用在化学、环境学、生物学、组织工程学、医学诊断与治疗等诸多领域。

微流控芯片上的核心部件是传感与检测单元，决定芯片的性能和应用潜力。常用的芯片原位检测方法包含生物化学检测、电化学检测和光学检测等多种方式。其中，光流检测技术由于灵敏度高、效率高、非接触等优点得到了广泛的应用。吸光度、折射率、荧光光谱、拉曼光谱等光学检测手段都被成功用于光流检测。

表面增强拉曼散射(SERS)是一种具有超高灵敏度和指纹特征图谱的光谱技术。将SERS检测与微流控技术相结合会起到互补、互利、互助的效果。

首先，SERS检测技术的加持可以大幅度提升微流控芯片的在线检测能力，应用于生物、化学检测多种应用场景。其次，借助于微流控芯片反应平台，SERS检测可以满足高通量、高效率和反应原位检测等特殊需求，应用范围将得到进一步扩展。

然而，SERS检测通常需要基于微纳结构化的金属表面才能实现信号增强。将SERS技术与微流控芯片结合首先要解决如何在芯片上集成SERS基底的难题。微流控芯片通道空间狭小，是非平面结构，在特定位置集成具有SERS活性的金属微纳结构是传统微纳加工难以实现的挑战。

借助于激光加工技术，这一难题被成功突破，微流控芯片上的SERS检测技术应运而生，并广泛用于生物、化学、医学、环境等多个领域。

吉林大学张永来教授团队基于微流控拉曼检测芯片，从制造工艺和应用前景出发，综述了微流控拉曼检测芯片近年来的重要进展，并分析了其未来发展方向和所面临的挑战。

一

微流控拉曼检测芯片的制备

微流控拉曼检测芯片的制备主要分为微流体通道的制备以及 SERS基底的制备两部分。

微流控芯片通道的制备

从材料上进行分类，微流控芯片通道大致可以分为玻璃以及硅片等硬质材料通道、聚二甲基硅氧烷(PDMS)等较软的有机聚合物通道。对于硬质材料，常见的加工方式为激光烧蚀法。而对于聚合物材料，则通常采用软光刻法。

（1）飞秒激光烧蚀法

作为一种减材加工方式，飞秒激光烧蚀能够将靶材雕刻成形貌复杂的二维、三维结构，为在微流控芯片内部制备通道提供可能。

飞秒激光具有高局域能量密度，能够加工高硬度材料，如金刚石、蓝宝石等。由于其逐点扫描加工的特性，飞秒激光烧蚀往往耗时很长，而且对硬质材料全程烧蚀会导致结构表面粗糙度高，从而损伤微流体通道的表面形貌。

因此人们通常先采用飞秒激光诱导产生表面缺陷，再辅以干法或湿法刻蚀的方式进行处理，一方面加快了腐蚀速率，另一方面也使缺陷面更加平滑，形成更高质量的微流体通道。

（2）软光刻法

光刻模板与PDMS相结合的方法通常被称为软光刻法。该方法的具体步骤如下：将PDMS预聚物与固化剂充分混合后均匀地覆盖到制备好的光刻模板上，然后烘干直至完全固化。之后将PDMS从模板上揭下，得到特定的PDMS微通道结构。

软光刻法具有操作简单、成本低和易于批量化制作等特点，已被广泛应用于微流体通道的制备当中。

图1 采用飞秒激光烧蚀和软光刻法制备具有三维构型的微流控通道。(a)飞秒激光制备三维微流控通道的实物图；(b)软光刻法制备微流控通道与芯片的系统集成

SERS基底的制备

SERS基底对整个微流控拉曼检测芯片的性能提升具有重要影响。常见的制备方法是胶体自组装法，其最大优点在于容易制备和方便使用。但该方法同时也存在着一些问题。例如，在许多情况下，金属胶体都必须与分析物混合进行SERS检测，这势必会污染分析物，影响后续的其他分析。

因此，开发稳定高效且便于在微通道内集成的均匀固态SERS基底十分重要。

（1）飞秒激光直写诱导金属离子还原法

飞秒激光直写（FsLDW）是一种独特的微纳米加工技术，具有可图案化、易于集成、无掩模加工等优势。近些年，FsLDW技术显示了其在微流控芯片中制备和集成高效SERS基底的能力。

张永来团队通过引入银/钯合金结构， 大幅提升了 SERS活性基底以及微流控芯片的使用寿命，实现了银/钯合金纳米结构在 LoC 体系中的制备和集成（图2）。银和钯共同还原不仅能够形成合金， 还能保护自身免受氧化。此类合金结构可以作为一种性能优异且使用寿命较长的SERS 检测基底。

图2 飞秒激光直写使得银/钯SERS衬底能够在微流控通道内集成。(a)利用飞秒激光诱导还原制备不同成分的银/钯合金纳米结构 (b) (d) (h) (f) (j) 不同物质的量比的银钯合金基体的表面形貌，比例尺为1 μm (c) (e) (g) (i) (k) 局部放大图像

（2）双光束干涉制备周期性基底结构法

双光束干涉系统在加工过程中不需要掩模，因此制备成本较低。另外，该方法还具有光路简单、易于实现大面积周期图形的制备、效率高等优点。

双光束干涉主要依赖多光束在样品表面相干叠加作用，引起材料表面的形貌变化。张永来团队利用双光束激光干涉(TBLI) 制备了还原石墨烯氧化物(RGO) 的光栅结构，并且通过简单的物理气相沉积(PVD) 对光栅表面进行镀银，制备出了高效的SERS基底。

层次化结构有助于镀银后等离子体结构的形成，从而形成大量的SERS “热点”。另外，该过程去除了GO亲水性含氧基团，所生成的衬底具有独特的超疏水性，进而促进分析物富集，降低检测下限。

图3 双光束干涉法制备SERS基底的示意图。(a)GO薄膜的TBLI处理；(b)两束干涉激光束的光强分布；(c)RGO光栅；(d)作为SERS基底的Ag-RGO光栅

除了以上制备方法，还有光雕法、纳米球刻蚀法、AAO模板法等。相信随着越来越多新技术与新方法的发现与使用，SERS微流控检测器件与系统的发展前景越来越光明。

二

微流控拉曼检测芯片的应用

因为微流控拉曼检测器件同时具备微流体动态操控和SERS检测两种功能，所以该集成平台在目标物质的检测分析、化学反应原位监控等方面展现出良好的应用前景。

（1）汞离子检测

汞是毒性最高的重金属之一，在工业生产中具有广泛的应用。由于各种工业活动以及饮用水、灌溉水中的Hg2 +污染，人体接触汞的概率迅速增大，人类健康受到了严重威胁。因此，开发一种灵敏检测Hg2 +浓度的方法迫在眉睫。

Guo 等人提出了通过飞秒激光直写来制备自驱动微流控SERS检测芯片的简便方法。首先，通过控制激光参数制备自驱动微通道，建立液体流动特性与加工条件之间的关系；然后，在预先设计的SERS检测位置处制备周期性的纳米波纹结构，并在结构表面沉积约30 nm厚的银金属层，以获得最佳的检测效果。最后，使用自驱动微流控SERS检测平台对Hg2
+进行定量分析。测试结果显示，检测极限可以达到10-9mg/L，证明了该微流控芯片可以用于Hg2 +的分析。

图4 制备自驱动微流控SERS检测芯片来检测Hg2 +。(a)芯片制备示意图；(b)整个微流控平台的照片；(c)2×2mm2入口的光学图像；(d)微通道的3D和SEM图像；(e)SERS基底部位的3D和SEM图像；(f)添加和不添加浓度为10-3mg/L的Hg2 +时，基底上R6G的SERS光谱；(g)加入Hg2
+后，R6G分子的SERS光谱检测范围为10-3至10-9mg/L

（2）化学反应原位监控

在集成的微流控芯片上，微通道可充当多功能微反应器，在不同的微通道中均进行着复杂的反应，可以实现反应物注入、过程监控、产物分析等一系列功能。通过对微纳制造技术的改进，催化剂与微流控装置能够直接集成，催化微反应器能广泛应用于未来的化学研究中。

张永来团队利用 [email protected] 复合膜材料以及光雕图案化SERS基底技术，制备了原位化学催化与 SERS检测的多功能集成芯片。此外，他们还实现了AgNPs催化4-硝基苯酚(4-NP)的片上反应，并利用原位SERS传感器监测了反应过程。

SERS检测与具有催化性能的微流控器件的集成为开发先进片上实验室系统带来了希望。该方法制造出来的芯片，无论是衬底还是微流控通道，均采用了 PDMS 材料，为实现柔性可便携微流控芯片的制备与检测提供了又一种可能。

图5 原位化学催化与SERS检测的多功能集成芯片的制备。(a)[email protected]层的高分辨率SEM 图像 (b)[email protected] 层的低倍数SEM 图像，比例尺为20 μm (c)催化芯片 SERS监测策略示意图 (d) 通过特征峰473cm-1归一化的SERS光谱检测流速

三

未来发展趋势与挑战

在以上基础的支撑下，进一步实现SERS检测微流控芯片的便携化应用，成为研究人员目前面临的一大挑战。由于在使用时只需要少量分析底物，微流控芯片在集成化和便携化方面具有天然优势。

为了实现便携化应用，需要解决的紧迫问题包括便携式激光器、拉曼光谱仪的配置以及液体自驱动芯片的研制等等。便携式二极管激光器、集成光纤SERS芯片、掌上型拉曼光谱仪的集成将会快速推动便携式微流体SERS检测系统的发展。

此外，随着新一代制造技术的快速发展，微流控芯片的制作效率、精度以及稳定性都将得到显著改善，制备过程中产生的时间长、成本高等难题也将得以解决。

可以肯定的是，在新技术的帮助下，微流控技术将会实现更多功能，与SERS检测的结合将会更加紧密，各项性能指标也将会更加优异，各类器件的高度集成化配备将愈发完善。

课题组介绍

吉林大学张永来教授团队近年来的研究工作聚焦于飞秒激光微纳加工在结构化功能器件制备与集成中的应用。围绕飞秒激光加工中的材料适用性、复杂衬底的影响、与其他工艺兼容性等实际问题展开研究，具体包括石墨烯微电子器件、功能微流控芯片以及激光仿生结构制备。

来自：沈灵灵编辑中国激光江苏激光联盟转载