用于定量检测弱表面亲和力分子的微流控SERS芯片

微流控芯片

微流控SERS芯片在灵敏的化学和生物分子分析中越来越有吸引力。然而，微流控SERS芯片在检测流体中弱吸附分子时受到很大限制，更不用说实现对生化应用至关重要的定量分析了。在此，开发了一种可实现弱亲和力分子定量分析的微流控SERS芯片。通过“直接激光写入”，在微流控通道中可以很容易地制造出用柠檬酸盐固有修饰的银聚集体。结果表明，表面柠檬酸盐不仅可以通过多氢键将分析物“滞留”在等离子体表面，而且可以作为稳定的内标，很好地解决了这两个挑战。

结果表明，使用1370 cm−1处的柠檬酸盐带进行归一化，可以有效地将701 cm−1处的三聚氰胺SERS强度的相对标准偏差从约20%降低到10%以下。水样和乳样中三聚氰胺的定量分别低至10−7 M。回收率在95%-115%之间。此外，还进行了一种降血糖药物（罗格列酮）的检测。这种能够对弱亲和力分子进行稳健定量的微流控SERS芯片必将扩展微流控SERS的应用场景，特别是在低剂量、高效率和实时液体分析方面。

介绍

具有高分子灵敏度和特异性的表面增强拉曼散射（SERS）是一种强大的无损分析技术。自发现以来，人们一直致力于SERS材料的结构优化，以提高灵敏度并拓宽应用场景。近年来，将SERS材料与芯片实验室系统相结合构建微流控SERS芯片引起了人们的极大研究兴趣。可极大地满足生物诊断、药物分析、食品/环境监测等应用对低剂量、高效率、实时检测的要求。尽管存在双赢组合，但在微流控溶液环境中对弱表面亲和力分子进行定量SERS分析仍是一个巨大的挑战。

一方面，在微流控溶液环境中，SERS难以检测弱亲和力分子。众所周知，SERS是一种固有的近场现象。当分析物远离底物几纳米时，电磁增强急剧下降。对于化学增强，它甚至需要分析物化学键合到金属表面。因此，灵敏的SERS检测通常仅限于可以物理/化学吸附到等离子体金属表面的分子。而对于大多数食品添加剂、生物分子、药物，它们对金属表面和小拉曼截面的亲和力总是较弱。为了充分利用近场增强，表面改性以“保留”这些分析物在等离子体表面周围至关重要，特别是在微流控溶液环境中。另一方面，SERS的低重现性使定量分析成为一个巨大的挑战。SERS强度主要依赖于位于等离子体“热点”内的少数分子的贡献，这些分子的增强能力相当容易受到潜在几何形状的纳米级变化的影响。这些固有特征使得SERS强度难以重现，甚至波动了几个数量级，这长期阻碍了定量SERS检测的发展。尽管提出了液/液分割微流控系统以提高SERS的重现性，但纳米颗粒胶体的不均匀性、纳米颗粒和分析物之间的随机聚集和混合会造成严重的批次间差异。具有鲁棒性的校准曲线对于实际的定量SERS检测是必不可少的。引入内部标准可能是一个可行的解决方案。此前，石墨烯杂化金纳米阵列被开发为SERS材料。以石墨烯为内标，实现了结晶紫和罗丹明B的稳健定量SERS检测。同时，这种策略很难应用于封闭的微流控装置。为此，开发微流控SERS材料具有重要意义，该材料不仅可以将分析物“滞留”在等离子体表面，还可以校准SERS强度的波动。使用这种微流控 S 对流体中弱亲和力分子进行稳健定量的能力。

在这项工作中，我们提出了一种简单的微流控SERS材料的制备方法，用于定量检测对等离子体金属表面具有弱亲和力的分析物（三聚氰胺和罗格列酮）。通过“直接激光写入”，可以直接在微流体通道中制造用柠檬酸盐固有修饰的银聚集体，其中柠檬酸钠被用作还原剂。密度泛函理论（DFT）模拟表明，表面柠檬酸盐可以通过氢键相互作用有效地将三聚氰胺/罗格列酮滞留在等离子体表面。同时，柠檬酸盐改性银聚集体表现出稳定的SERS强度，如在1370 cm−1处达到峰值，可作为校准SERS底物增强波动的自内标。结果表明，以柠檬酸盐带为内标，三聚氰胺SERS强度在701 cm−1时的相对标准偏差（RSD）可有效从约20%降低至10%以下。通过构建“相对强度-浓度”校准曲线，我们成功地证明了水溶液和稀释牛奶样品中三聚氰胺的稳健定量检测。回收率可达95%-115%。在这里，通过将测得的浓度除以加标值来计算回收率。此外，还证明了在水溶液中检测罗格列酮药物。这些结果表明，微通道银聚集体的柠檬酸盐修饰在微流控SERS测量中起着关键作用：（i）通过氢键相互作用与分析物共吸附;（ii）校准SERS增强的波动，即作为内标，很好地解决了亲和力较弱的分析物微流控SERS定量的两个难点。

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