用于病原微生物定量检测的SERS芯片及其制备方法和应用

用于病原微生物定量检测的sers芯片及其制备方法和应用
技术领域
1.本发明涉及表面增强拉曼光谱即sers技术领域，具体涉及一种用于病原微生物定量检测的sers芯片及其制备方法和应用。


背景技术：

2.对病原微生物进行快速、准确地检测在医学诊断、食品安全、公共卫生等领域具有十分重要的意义。现有的微生物检测方法主要有标准平板菌落计数、聚合酶链反应（pcr）和酶联免疫吸附测定（elisa）等。菌落计数法是微生物检测的标准方法，其操作简单，成本低廉，但它的检测周期长，无法满足快速检测的需求。elisa和pcr最快可以在数小时内完成检测，但这两种方法都需要复杂的前处理程序和精密仪器，只有专业人员才能操作，在实际应用中受到很大的限制。
3.表面增强拉曼光谱（sers）技术具有快速、不受水干扰、提供“指纹”信息、无损检测等诸多优点，在微生物快速检测方面具有巨大应用前景。然而，由于sers主要依赖纳米结构产生的“热点”来增强微弱拉曼散射信号，而拉曼增强因子对纳米结构的分布状态、样品分子与“热点”的相对距离等因素极度敏感，导致sers信号波动大、可重复性差。因此利用sers信号强度来检测样品浓度的定量方法的准确性差、可靠性低，严重制约了sers的应用。


技术实现要素：

4.本发明的目的是提供一种用于病原微生物定量检测的sers芯片及其制备方法和应用，利用阵列式锥形孔结构对病原微生物样品进行离散化分隔，通过纸基底对病原微生物样品进行富集和捕获，采用sers扫描和特征sers信号计数对微生物进行定量检测，其能够有效克服sers信号强度波动的影响，大幅提高微生物定量sers检测的准确性。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：第一方面，本发明提供了一种用于病原微生物定量检测的sers芯片，包括基板和连接于基板下方的纸基底，所述纸基底上组装有贵金属纳米颗粒；所述基板上设有腔室，所述腔室底部设有若干个阵列分布且与纸基底连通的锥形孔，所述锥形孔大端开口与腔室底面连通，锥形孔小端开口与纸基底连通。
6.进一步，所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒、合金纳米颗粒。
7.进一步，所述基板为单晶硅片。
8.进一步，所述纸基底为孔径为0.01~0.3μm的亲水性滤膜。
9.进一步，所述锥形孔大端开口孔径为20~500μm，锥形孔小端开口孔径为1~10μm。
10.进一步，所述基板的腔室上方盖设有透明盖板，所述透明盖板上设有与所述腔室连通的进样口。
11.第二方面，本发明提供了一种用于病原微生物定量检测的sers芯片的制备方法，其包括如下步骤：s1，将贵金属纳米颗粒组装在纸基底上；
s2，在基板表面沉积氮化硅层，通过光刻法将所述基板的一面图案化，采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成腔室；s3，在刻蚀后的基板表面沉积氮化硅层，通过光刻法将所述腔室底面进行图案化，得到阵列结构图案，采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成锥形孔；s4，将s3得到的基板下表面与纸基底紧密结合，得到本发明所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片。
12.第三方面，提供了一种本发明所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片在病原微生物定量检测中的应用。
13.本发明的有益效果：本发明所述基板上设有腔室，所述腔室底部设有若干个阵列分布且与纸基底连通的锥形孔，所述锥形孔大端开口与腔室底面连通，锥形孔小端开口与纸基底连通，进行sers检测时，将病原微生物悬浮液注入sers芯片的腔室中，腔室内部的液体通过与锥形孔小端开口连通的纸基底的毛细作用去除，微生物颗粒被若干个锥形孔阵列离散化分隔，并捕获在纸基底上。对所有锥形孔阵列进行sers扫描并收集sers光谱，根据微生物特征sers信号出现的次数计算待测样品的浓度，即利用阵列式锥形孔结构对病原微生物样品进行离散化分隔，通过纸基底对病原微生物样品进行富集和捕获，采用sers扫描和特征sers信号计数对微生物进行定量检测。
附图说明
14.图1是本发明所述用于病原微生物定量检测的sers芯片的俯视图；图2是本发明所述锥形孔的放大示意图；图3是本发明所述用于病原微生物定量检测的sers芯片的侧视图。
15.图中，1—基板，11—腔室，12—锥形孔，2—纸基底，3—贵金属纳米颗粒，4—透明盖板，41—进样口。
具体实施方式
16.以下将参照附图和优选实施例来说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书中所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。应当理解，优选实施例仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。
17.需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
18.实施例一，参见图1和图2，所示的用于病原微生物定量检测的sers芯片，包括基板1和连接于基板1下方的纸基底2，所述纸基底2上组装有贵金属纳米颗粒3。所述基板1上设有腔室11，所述腔室11底部设有若干个阵列分布且与纸基底2连通的锥形孔12，所述锥形孔12大端开口与腔室11底面连通，锥形孔12小端开口与纸基底2连通。进行sers检测时，将病
原微生物悬浮液注入sers芯片的腔室11中，腔室11内部的液体通过与锥形孔12小端开口连通的纸基底2的毛细作用去除，微生物颗粒被若干个锥形孔12阵列离散化分隔，并捕获在纸基底2上，使其与组装在纸基底2上的贵金属纳米颗粒3接触。对所有锥形孔12阵列进行sers扫描并收集sers光谱，根据微生物特征sers信号出现的次数计算待测样品的浓度，实现了对病原微生物进行富集、离散化分隔、捕获和快速定量检测。
19.本实施例中，所述锥形孔12为倒金字塔形通孔，所述倒金字塔形通孔上端开口和下端开口均为正方形，上端开口边长为20~500μm，下端开口边长为1~10μm。
20.本实施例中，所述纸基底2为孔径为0.1μm的亲水性滤膜。优选地，所述亲水性滤膜为聚四氟乙烯滤膜。通过聚四氟乙烯滤膜与倒金字塔形通孔配合使用，使得基板1的腔室11内部液体通过与锥形孔12小端开口连通的纸基底2的毛细作用去除。
21.本实施例中，所述贵金属纳米颗粒3为金纳米颗粒、银纳米颗粒、合金纳米颗粒。优选地，所述所述贵金属纳米颗粒3为银纳米颗粒。
22.本实施例中，所述基板1为单晶硅片。优选地，所述基板1为（100）单晶抛光硅片。
23.作为本实施例的一种优选实施方式，参见图3，所述基板1的腔室11上方盖设有透明盖板4，所述透明盖板4上设有与所述腔室11连通的进样口41。
24.实施例二，一种用于病原微生物定量检测的sers芯片的制备方法，其包括如下步骤：s1，用柠檬酸三钠还原硝酸银溶液制备银纳米颗粒溶胶，将银纳米颗粒均匀组装在孔径为0.1μm的聚四氟乙烯（ptfe）滤膜表面，得到纸基底，备用。
25.s2，选用厚度为300μm的（100）单晶抛光硅片作为基板，在基板表面沉积厚度为500nm的氮化硅层，通过光刻法将所述基板的一面图案化，即形成矩形结构图案。然后采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成腔室，该腔室深度为100μm。
26.s3，在刻蚀后的基板表面沉积厚度为500nm氮化硅层，通过光刻法将所述腔室底面进行图案化，得到阵列结构图案，采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成锥形孔，所述锥形孔12为倒金字塔形通孔。
27.s4，将s3得到的基板下表面与纸基底紧密结合，再在基板上表面键合具有进样口的透明盖板，得到用于病原微生物定量检测的sers芯片。
28.实施例三，实施例二制得的所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片在病原微生物定量检测中的应用，具体地：将细菌（金黄色葡萄球菌、大肠杆菌等）样本溶液通过进样口注入sers芯片的腔室中，腔室内的多余液体会在聚四氟乙烯（ptfe）滤膜毛细力作用下去除，而细菌样品被分隔和捕获在倒金字塔底部区域的纸基底上。对芯片的所有倒金字塔微腔进行sers扫描并收集sers光谱，测试时设置扫描步长与倒金字塔阵列的间距一致，使每一扫描点均位于凹坑中心部位，并保证激发光覆盖整个倒金字塔底部区域。通过特征拉曼峰判断每一个倒金字塔微腔底部区域是否有细菌，根据拉曼特征信号出现的次数实现对待测细菌的定量检测。
29.以上实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：包括基板和连接于基板下方的纸基底，所述纸基底上组装有贵金属纳米颗粒；所述基板上设有腔室，所述腔室底部设有若干个阵列分布且与纸基底连通的锥形孔，所述锥形孔大端开口与腔室底面连通，锥形孔小端开口与纸基底连通。2.根据权利要求1所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：所述贵金属纳米颗粒为金纳米颗粒、银纳米颗粒、合金纳米颗粒。3.根据权利要求1所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：所述基板为单晶硅片。4.根据权利要求1所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：所述纸基底为孔径为0.01~0.3μm的亲水性滤膜。5.根据权利要求1所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：所述锥形孔大端开口孔径为20~500μm，锥形孔小端开口孔径为1~10μm。6.根据权利要求1所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片，其特征在于：所述基板的腔室上方盖设有透明盖板，所述透明盖板上设有与所述腔室连通的进样口。7.一种用于病原微生物定量检测的sers芯片的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1，将贵金属纳米颗粒组装在纸基底上；s2，在基板表面沉积氮化硅层，通过光刻法将所述基板的一面图案化，采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成腔室；s3，在刻蚀后的基板表面沉积氮化硅层，通过光刻法将所述腔室底面进行图案化，得到阵列结构图案，采用反应离子刻蚀工艺去除暴露的氮化硅层，再通过各向异性湿法腐蚀工艺制作形成锥形孔；s4，将s3得到的基板下表面与纸基底紧密结合，得到权利要求1~6任一项所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片。8.权利要求1~6任一项所述的用于病原微生物定量检测的sers芯片在病原微生物定量检测中的应用。

技术总结
本发明涉及表面增强拉曼光谱即SERS技术领域，具体涉及一种用于病原微生物定量检测的SERS芯片及其制备方法和应用。所述用于病原微生物定量检测的SERS芯片包括基板和连接于基板下方的纸基底，所述纸基底上组装有贵金属纳米颗粒；所述基板上设有腔室，所述腔室底部设有若干个阵列分布且与纸基底连通的锥形孔，所述锥形孔大端开口与腔室底面连通，锥形孔小端开口与纸基底连通。利用阵列式锥形孔结构对病原微生物样品进行离散化分隔，通过纸基底对病原微生物样品进行富集和捕获，采用SERS扫描和特征SERS信号计数对微生物进行定量检测，其能够有效克服SERS信号强度波动的影响，大幅提高微生物定量SERS检测的准确性。微生物定量SERS检测的准确性。微生物定量SERS检测的准确性。


技术研发人员：杨峰 唐亮贵 江超
受保护的技术使用者：重庆工商大学
技术研发日：2023.05.12
技术公布日：2023/10/15