基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法技术方案

一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，所述呼吸检测系统包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片。本发明专利技术可以用于呼吸成分的快速高灵敏度检测，且成本较低。

Respiratory detection system and method based on chemical modified surface enhanced Raman scattering chip

A chemical modification of surface enhanced Raman scattering breath detection system and method based on chip, including the detection of respiratory system: respiratory collecting device, breath detection chip, gas driving device and Raman detection equipment, wherein the breath collection device for collecting respiratory samples, and respiratory samples provided to respiratory detection chip, gas the driving device and the breath detection chip is used for driving a breath sample through the breath detection chip, breath detection chip comprises a substrate, a microfluidic channel formed in the substrate, the microfluidic channel has attached nano structures of noble metal nanoparticles, capture agent modification of noble metal nanoparticles and a transparent cover sheet for sealing the microfluidic channels for. The invention can be used for rapid and high sensitivity detection of respiratory components, and the cost is low.

【技术实现步骤摘要】
基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法
本专利技术属于光学检测领域，具体涉及一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法。
技术介绍
呼吸气体是一种含有环境气体、水蒸气及其他痕迹可挥发性有机成分及非挥发成分的气体混合物。呼吸检测是一种定性定量研究呼吸成分的检测方法，作为一种非侵入性的诊断手段可以用于早常规体检及如肺癌、肺结核、糖尿病及心脏疾病等不同疾病的早期诊断中。由于其无创无痛及收集简易等特性，呼吸检测在健康诊断、生物信息学及制药领域得到了国内外尖端领域研究的关注。检测呼吸成分的主要方法是通过聚氟乙烯泰德拉气体采集袋采集呼吸样品，通过固相萃取装置(SPME)进行呼吸样品富集，最后由气相色谱-质谱联用仪(GC-MS)分析呼吸成分。然而，由于SPME富集期间需要经过物理吸附、热解吸或液体洗脱等许多步骤，呼吸样品捕获及富集效率一直无法得到提高。随着近年来化学分析仪器精确度及灵敏度的提高，一些新型分析化学仪器包括傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT-ICRMS)，质子转移反应质谱(RTP-MS)，选择性离子流动管质谱(SIFT-MS)等开始运用于呼吸检测中。然而，上述方法需要用到昂贵的大型专业分析化学质谱仪器，无法满足越来越多的低成本快速日常检测的需求。迅速发展的微电子机械系统(MEMS)技术以及纳米技术为人体呼吸的快速、准确检测提供了新的手段，特别是微流控芯片全分析系统，可为呼吸样品的检测提供一个闭环控制的集成检测系统；将样品的富集、解吸、检测分析的整个过程集约。一些金属氧化物/碳纳米管及有机金属/碳纳米管等新型纳米材料气体传感器被直接运用于呼吸检测，但该类传感器仅能检测氨气、一氧化碳、甲醇等极小分子气体，同时呼出气体中高湿度等特点也严重影响了传感器信号的读取。一种通过有机金属化合物修饰的比色传感器矩阵被用于检测呼吸气体中的pH值、极性及路易斯酸碱度，从而辨别呼吸中的生物印记进行肺癌诊断。另一种通过类似有机贵金属化合物修饰的化学电阻传感器矩阵可以通过呼吸中成分的不同导致相对电阻值的变化诊断癌症。然而，该类传感器需要对传感器矩阵每一个点位进行不同修饰，制备过程复杂；同时，由于呼出气体中含有大量的水蒸气，且不同人群所处环境湿度不同，呼吸中水蒸气分压也有所不同，从而导致检测结果出现偏差。呼吸检测作为一种日常的疾病早期筛查手段，需要利用高灵敏度、低成本的检测方法，高效率获取有效呼吸成分，进行快速定性分析，满足这类需求的方法目前还不存在。表面增强拉曼散射(Surface-enhancedRamanScattering，SERS)技术由于可以在分子水平上给出物质的结构信息，且具有极高的检测灵敏度(甚至可以实现单分子检测)和极高的选择性，只需极少量的待测物，就能获得有关分子结构细节的拉曼光谱图。而且，水的拉曼散射信号很微弱，拉曼光谱是研究含有水分子的化学样品的理想工具。因此，该技术在检测高含量水蒸气气氛下的呼吸样品中具有临床意义的痕量(0.1-100ppb)可挥发气体成分，具有非常广阔的应用前景。同时，SERS技术本身低成本、可快速实时检测等特点也均符合呼吸检测的研究需求。但是，呼吸中的小分子物质拉曼效应活性很低，无法直接将呼吸样品通入SERS芯片后进行检测，目前利用SERS技术进行呼吸检测的相关研究较少。
技术实现思路
为了解决现有技术中呼吸检测灵敏度低、成本高、无法快速检测等问题，本专利技术提出了一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统和方法，可以利用便携式拉曼检测系统进行快速检测。一方面，本专利技术的基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片。衬底为硅片，透明盖片由玻璃片、聚酸甲酯、聚碳酸酯板材料制成。所述纳米凸起结构是能够增强拉曼散射效果的纳米结构，所述纳米凸起结构的形状选自锥状、圆台状、圆柱状或方柱状中的一种或几种。贵金属纳米颗粒为金、银或铜，优选地，贵金属纳米颗粒通过喷溅或溶液浸泡芯片的方式形成于纳米凸起结构上。所述捕捉剂为氨氧基硫醇或烯烃氨基硫醇，优选地，氨氧基硫醇为1-氨氧基十二烷基硫醇。气体驱动装置为负压控制器或者注射器，负压控制器与微流控通道出口连接，用于驱使呼吸气体从微流控通道穿行。优选地，负压控制器包括气体流量计和负压源，其中气体流量计的一端与负压源连接，气体流量计的另一端接入的微流控通道出口。呼吸收集装置包括：气体传感器、控制系统、压缩泵和废气阀，气体传感器用于检测呼吸样品中指标成分的含量，控制系统用于根据气体传感器的检测结果来控制压缩泵的开闭。优选地，当指标成分的含量低于预定值时，压缩泵关闭，呼吸样品从废气阀流出，当指标成分的含量高于预定值时，压缩泵开启，呼吸样品进入气体样品袋。所述气体传感器为二氧化碳传感器、氧气传感器或丙酮传感传感器。优选地，所述气体传感器前设置有细菌过滤网。另一方面，本专利技术的呼吸检测方法包括呼吸样品收集、呼吸样品处理和拉曼光谱分析，其中，在呼吸样品收集阶段，收集肺泡呼吸部分的呼吸样品；在呼吸样品处理阶段，使收集到的呼吸样品通过含有捕捉剂的呼吸检测芯片，并记录呼吸样品的体积；在拉曼光谱分析阶段，将呼吸检测芯片置于拉曼检测设备中得到拉曼谱图，根据拉曼谱图分析呼吸成分。其中，在呼吸样品收集阶段，检测肺泡呼吸部分的指标气体含量，当指标气体含量高于预定值时收集气体样品，优选地，指标气体为二氧化碳、氧气或丙酮。呼吸检测芯片中的捕捉剂为氨氧基硫醇或烯烃氨基硫醇，优选地，氨氧基硫醇为1-氨氧基十二烷基硫醇。相较于现有技术，本专利技术具有以下特点：(1)相比于现有的物理吸附、热解吸或液体洗脱等呼吸样品处理方法效率较低的缺点，本专利技术通过化学反应可实现高效率捕获呼吸中的可挥发性羰基化合物(VCC，VolatileCarbonylCompounds)。同时，本专利技术可实现对VCC的拉曼光谱检测，相比于利用昂贵的分析化学仪器的呼吸检测方法，拉曼检测可以同样进行快速高灵敏度检测，且成本较低；(2)本专利技术基于微纳加工技术和微流控技术，通过微纳加工工艺只需一块掩膜版，即可制备在微流控通道中附着贵金属纳米颗粒的纳米粗糙结构，该结构可产生“热点”效应从而提高被测样品拉曼光谱的强度，同时贵金属纳米颗粒表面所修饰的氨基氧饱和脂肪硫醇可以对呼吸样品中的羰基化合物进行捕获并富集，将样品富集、激活及检测功能集成于同一个芯片中，大大降低工艺制备成本及操作难度；(3)通过气体传感器控制呼吸收集装置只收集人体呼出气体的肺泡呼吸部分，该部分更好地体现了肺部新陈代谢水平，有效避免了周围环境中的气体对于呼吸检测的影响。附图说明图1为本专利技术的呼吸检测芯片的结构横截图；图2为氨氧基饱和脂肪硫醇的合成路线图；图3为本专利技术的呼吸检测芯片点击化学反应原理图；图4为1-氨氧基十二烷基硫醇在呼吸检测芯片上的SERS谱图；图5为呼吸中CO2含量变化趋势图图6为本发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统，包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片，所述捕捉剂用于捕捉呼吸样品中待测气体成分。

【技术特征摘要】
1.一种基于化学改性表面增强拉曼散射芯片的呼吸检测系统，包括：呼吸收集装置、呼吸检测芯片、气体驱动装置以及拉曼检测设备，其中，呼吸收集装置用于收集呼吸样品，并将呼吸样品提供到呼吸检测芯片中，气体驱动装置与呼吸检测芯片相连，用于驱使呼吸样品通过呼吸检测芯片，呼吸检测芯片包括：衬底、形成于衬底内的微流控通道，微流控通道具有附着贵金属纳米颗粒的纳米凸起结构，修饰贵金属纳米颗粒的捕捉剂以及用于密封微流控通道的透明盖片，所述捕捉剂用于捕捉呼吸样品中待测气体成分。2.如权利要求1所述的呼吸检测系统，其特征在于：所述衬底为硅片，所述透明盖片由玻璃片、聚酸甲酯或聚碳酸酯板材料制成。3.如权利要求1所述的呼吸检测系统，其特征在于：所述纳米凸起结构是能够增强拉曼散射效果的纳米结构，所述纳米凸起结构的形状选自锥状、圆台状、圆柱状或方柱状中的一种或几种。4.如权利要求1所述的呼吸检测系统，其特征在于：所述贵金属纳米颗粒为金、银或铜，优选地，所述贵金属纳米颗粒通过喷溅或溶液浸泡芯片的方式形成于纳米凸起结构上。5.如权利要求1所述的呼吸检测系统，其特征在于：所述捕捉剂为氨氧基硫醇或烯烃氨基硫醇，优选地，氨氧基硫醇为1-氨氧基十二烷基硫醇。6.如权利要求1所述的呼吸检测系统，其特征在于：气体驱动装置为负压控制器或者注射器，负压控制器与微流控通道出口连接，用于驱使呼吸气体从微流控通道穿行，优选地，负压控制器包括气体流...

【专利技术属性】
技术研发人员：李明虓，黄成军，
申请(专利权)人：中国科学院微电子研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11