本发明涉及光量子表面增强拉曼散射（SERS）光谱检测、微流控物质检测及痕量爆炸物检测技术领域，具体地说是一种NERS-SERS基底微流控光量子物质指纹靶标。
背景技术：
当前表面增强拉曼散射（Surface Enhanced Raman Scattering，SERS）微流控检测技术中，广泛使用的拉曼增强基底主要有两种：一种是单一金属纳米颗粒溶胶，包括金纳米颗粒溶胶和银纳米颗粒溶胶；另一种是纳米阵列结构，包括半球纳米阵列结构、柱状纳米阵列结构等。单一金属纳米颗粒溶胶的SERS增强因子一般能够达到108，为提高探测灵敏度，SERS增强因子还有待提高。纳米阵列结构的拉曼增强基底具有无法实现连续检测的缺陷，原因是：检测分子容易吸附在纳米阵列结构上，检测一次之后需要对基底进行清洗，去除吸附的检测分子，以免对下次检测结果产生影响。
技术实现要素：
本发明的目的就是提供一种NERS-SERS基底微流控光量子物质指纹靶标，以解决现有微流控SERS检测无法连续采样检测及探测灵敏度低的问题。
本发明的目的是这样实现的：一种NERS-SERS基底微流控光量子物质指纹靶标，包括微流道单元和用于控制所述微流道单元两端温度梯度的温度梯度控制器；
所述微流道单元包括金属纳米颗粒溶胶存储器、第一级微流道、第二级微流道、第三级微流道、第四级微流道和金属纳米颗粒溶胶回收器；所述金属纳米颗粒溶胶存储器用于存储金属纳米颗粒溶胶，所述金属纳米颗粒溶胶回收器用于对金属纳米颗粒溶胶进行回收；所述第一级微流道、所述第二级微流道、所述第三级微流道和所述第四级微流道依序相接，所述金属纳米颗粒溶胶存储器内的金属纳米颗粒溶胶可依序经所述第一级微流道、所述第二级微流道、所述第三级微流道和所述第四级微流道后进入所述金属纳米颗粒溶胶回收器；所述金属纳米颗粒溶胶回收器的上表面呈开放式结构；
所述第二级微流道包括至少三条毛细微流道，每一条毛细微流道的上表面均为完全开放结构；所述第二级微流道用于使所述微流道单元内的金属纳米颗粒溶胶吸收浓缩空气中的待检测痕量物质；
所述第三级微流道是集成了SERS增强检测区的微流道；在所述第三级微流道的上表面设置有一个激光入射与探测信号采集小孔；在所述第三级微流道内的下表面集成有周期性的正弦型银光栅，所述正弦型银光栅与其上所流动着的金属纳米颗粒溶胶共同构成了NERS-SERS基底；
所述温度梯度控制器包括第一微型温度传感器、第二微型温度传感器、微型加热片和半导体制冷片；
所述第一微型温度传感器位于所述金属纳米颗粒溶胶回收器的下方，用于检测所述金属纳米颗粒溶胶回收器周围的温度；所述第二微型温度传感器位于所述金属纳米颗粒溶胶存储器的下方，用于检测所述金属纳米颗粒溶胶存储器周围的温度；
所述微型加热片位于所述第一微型温度传感器的下方，用于升高所述金属纳米颗粒溶胶回收器周围的温度；所述半导体制冷片位于所述第二微型温度传感器的下方，用于降低所述金属纳米颗粒溶胶存储器周围的温度。
所述正弦型银光栅是通过激光干涉光刻以及物理气相沉积工艺加工而成。所述正弦型银光栅的周期为400nm～1000nm，正弦型振幅为10nm～100nm，光栅银层厚度为50nm～200nm。
所述微流道单元内流动的金属纳米颗粒溶胶的形状为球形，球形颗粒的直径为50nm～200nm。
所述金属纳米颗粒溶胶存储器和所述金属纳米颗粒溶胶回收器均为长方体的容器结构；所述金属纳米颗粒溶胶存储器的长为1000μm～5000μm，宽为1000μm～5000μm，深度为50μm～200μm；所述金属纳米颗粒溶胶回收器的长为1000μm～5000μm，宽为1000μm～5000μm，深度为50μm～200μm。
所述第一级微流道和所述第四级微流道均是长条形通道结构，其横截面为长方形或圆形；所述第一级微流道的长度为1 mm～5mm，宽度为100μm～500μm，深度为50μm～200μm；所述第四级微流道的长度为1 mm～5mm，宽度为100μm～500μm，深度为50μm～200μm。
所述第二级微流道中每条毛细微流道的宽度为10μm～30μm，长度为1 mm～5mm，深度为5μm～20μm。
所述第三级微流道为长条形通道结构；所述第三级微流道的长度为0.2 mm～2mm，宽度为100μm～500μm，深度为5μm～20μm。
所述第一微型温度传感器距所述金属纳米颗粒溶胶回收器的下方底部2mm～5mm；所述微型加热片距所述金属纳米颗粒溶胶回收器的下方底部5mm～15mm。
所述第二微型温度传感器距所述金属纳米颗粒溶胶存储器的下方底部2mm～5mm；所述半导体制冷片距所述金属纳米颗粒溶胶存储器的下方底部5mm～15mm。
本发明中的微流道单元是仿生犬类鼻腔内部结构，本发明可连续探测空气中是否含有痕量弹药等爆炸物，且探测灵敏度高。通过控制微流道单元两端温度梯度，调整微流道单元内金属纳米颗粒溶胶的流动速度，保证在第三级集成SERS增强检测区的微流道内二聚体有较高浓度，从而实现NERS-SERS基底的作用，进一步提高SERS检测的灵敏度。通过控制微流道单元两端温度梯度，利用仿生植物蒸腾作用实现了微流道单元内金属纳米颗粒溶胶的不断更新流动，解决了当前微流控SERS检测技术无法连续采样快速检测的问题。因此，本发明具有高集成度、高灵敏度、可连续采样等优点。
本发明中NERS-SERS基底中的周期正弦型银光栅不易吸附检测分子，无需清洗就能再次检测，同时通过本发明中的温度梯度控制器来控制微流道单元内的金属纳米颗粒溶胶的不断流动，从而实现可连续检测。本发明将微流控技术与NERS-SERS检测技术有机结合，综合了两者的特色和优势，实现对痕量爆炸物气体的高灵敏度、连续在线检测。
附图说明
图1是本发明中一种NERS-SERS基底微流控的光量子物质指纹靶标的结构示意图，其中“1”即虚线框内表示的是本发明中的“微流道单元”。
图2是本发明中微流道单元的第二级微流道和第三级微流道的结构示意图。
图3是本发明中第三级微流道内下表面的NERS-SERS基底的结构示意图。
图4是普通单一金纳米颗粒溶胶之间的电磁场强度分布示意图。
图5是本发明中NERS-SERS基底中的金纳米颗粒溶胶之间的电磁场强度分布示意图。
图6是本发明中四级微流道内的金属纳米颗粒溶胶二聚体浓度分布示意图。
图中：1、微流道单元，2、金属纳米颗粒溶胶存储器，3、金属纳米颗粒溶胶加载通道，4、第一级微流道，5、第二级微流道，6、第三级微流道，7、激光入射与探测信号采集小孔，8、第四级微流道，9、金属纳米颗粒溶胶回收器，10、第一微型温度传感器，11、微型加热片，12、半导体制冷片，13、第二微型温度传感器，14、NERS-SERS基底，15、正弦型银光栅，16、金属纳米颗粒溶胶。
具体实施方式
如图1所示，本发明靶标包括微流道单元1和温度梯度控制器。微流道单元1包括金属纳米颗粒溶胶存储器2、第一级微流道4、第二级微流道5、第三级微流道6、第四级微流道8和金属纳米颗粒溶胶回收器9。温度梯度控制器包括第一微型温度传感器10、第二微型温度传感器13、微型加热片11和半导体制冷片12。
金属纳米颗粒溶胶存储器2和金属纳米颗粒溶胶回收器9均为长方体的容器结构，金属纳米颗粒溶胶存储器2为封闭结构，金属纳米颗粒溶胶回收器9的上表面是完全开放式结构，便于蒸腾作用的产生。金属纳米颗粒溶胶存储器2的长为1000μm～5000μm，宽为1000μm～5000μm，深度为50μm～200μm。金属纳米颗粒溶胶回收器9的长为1000μm～5000μm，宽为1000μm～5000μm，深度为50μm～200μm。
在金属纳米颗粒溶胶存储器2的上表面设有金属纳米颗粒溶胶加载通道3，金属纳米颗粒溶胶加载通道3例如可以为竖向的圆管结构，金属纳米颗粒溶胶加载通道3与金属纳米颗粒溶胶存储器2的内腔相连通，通过金属纳米颗粒溶胶加载通道3可向金属纳米颗粒溶胶存储器2内通入金属纳米颗粒溶胶。
金属纳米颗粒溶胶存储器2内的金属纳米颗粒溶胶可依序通过第一级微流道4、第二级微流道5、第三级微流道6和第四级微流道8后进入金属纳米颗粒溶胶回收器9内。第一级微流道4与金属纳米颗粒溶胶存储器2相连通，第四级微流道8与金属纳米颗粒溶胶回收器9相连通。第一级微流道4和第四级微流道8是长条形通道结构，其横截面可以是长方形或圆形。第一级微流道4的长度为1 mm～5mm，宽度为100μm～500μm，深度为50μm～200μm。第四级微流道8的长度为1 mm～5mm，宽度为100μm～500μm，深度为50μm～200μm。
如图2所示，第二级微流道5由至少三个并行设置的毛细微流道组成，每个毛细微流道上表面为完全开放结构，每个毛细微流道的宽度为10μm～30μm，长度为1 mm～5mm，深度为5μm～20μm。第二级微流道5用于使微流道单元1中的金属纳米颗粒溶胶吸收浓缩空气中的待检测痕量物质，因此其是开放型的微流道。
第三级微流道6同样是长条形通道结构，第三级微流道6是集成了SERS增强检测区的微流道，第三级微流道6的长度为0.2 mm～2mm，宽度为100μm～500μm，深度为5μm～20μm。在第三级微流道6的上表面设置有一个激光入射与探测信号采集小孔7，激光器所发射信号可通过该小孔照射到第三级微流道6内，拉曼光谱仪也可通过该小孔检测第三级微流道6内NERS-SERS基底14所产生的拉曼信号。SERS增强检测区的匹配激光工作波长为470nm、532nm、658nm或785nm。
结合图3，在第三级微流道6内的下表面集成了周期性的正弦型银光栅15，正弦型银光栅15与其上所流动的金属纳米颗粒溶胶16一起构成了NERS(Nanogap Enhanced Raman Scattering)-SERS基底14，NERS-SERS基底14即是间隙增强拉曼散射与表面增强拉曼散射结合的基底。正弦型银光栅15是通过激光干涉光刻以及物理气相沉积工艺加工集成到第三级微流道6内的下表面的。正弦型银光栅15的周期为400 nm～1000nm，正弦型振幅为10 nm～100nm，银光栅膜层厚度为50 nm～200nm。金属纳米颗粒溶胶16在整个微流道单元1内流动，可以是银或金纳米颗粒溶胶，用于吸附空气中的待检测痕量物质分子，并形成二聚体。金属纳米颗粒溶胶16的形状为球形，球形颗粒的直径为50～200nm。
如图6所示，图6是四级微流道内的金属纳米颗粒溶胶二聚体浓度的分布示意图，图中，灰度值小的区域代表浓度较小，灰度值大的区域代表浓度较大，可以看出从第一级微流道到第四级微流道的金属纳米颗粒溶胶二聚体浓度逐渐增大且在第三级微流道已达到较大浓度。
如图4和图5所示，以金纳米颗粒溶胶为例，图4是普通单一金纳米颗粒溶胶之间的电磁场强度分布，图5是NERS-SERS基底中的金纳米颗粒溶胶之间的电磁场强度分布，显然，后者比前者的电磁场强度有了显著提高，故而通过本发明可提高探测的灵敏度。
本发明采用NERS-SERS基底，即金属纳米颗粒溶胶与周期正弦型银光栅结合，周期正弦型银光栅形成的表面等离子体共振效应和金属纳米颗粒溶胶形成的局部等离子体共振效应能够发生耦合作用，使金属纳米颗粒溶胶之间的局域电磁场得到进一步增强，SERS增强因子可达109，相比现有技术而言提高了一个数量级，从而提高了SERS检测的灵敏度，实现了高灵敏度检测。
第一微型温度传感器10位于金属纳米颗粒溶胶回收器9的下方，第一微型温度传感器10距金属纳米颗粒溶胶回收器9的下方底部2mm～5mm。微型加热片11位于第一微型温度传感器10的下方，微型加热片11距金属纳米颗粒溶胶回收器9的下方底部5mm～15mm。微型加热片11的尺寸为毫米量级，本实施例中微型加热片11的尺寸为8×8×3.5mm。
第二微型温度传感器13位于金属纳米颗粒溶胶存储器2的下方，第二微型温度传感器13距金属纳米颗粒溶胶存储器2的下方底部2mm～5mm。微型温度传感器的尺寸为毫米量级，本实施例中第一微型温度传感器10和第二微型温度传感器13的尺寸均为4×4×3mm。半导体制冷片12位于第二微型温度传感器13的下方，半导体制冷片12距金属纳米颗粒溶胶存储器2的下方底部5mm～15mm。
半导体制冷片12用于降低金属纳米颗粒溶胶存储器2周围区域的温度，微型加热片11用于升高金属纳米颗粒溶胶回收器9周围区域的温度，利用第一微型温度传感器10测量金属纳米颗粒溶胶回收器9周围区域的温度，利用第二微型温度传感器13测量金属纳米颗粒溶胶存储器2周围区域的温度，从而控制微流道单元1两端的温度梯度。利用蒸腾作用调整微流道单元1中金属纳米颗粒溶胶16的流动速度，金属纳米颗粒溶胶16从金属纳米颗粒溶胶存储器2流向金属纳米颗粒溶胶回收器9。
本发明提供了一种能够与拉曼光谱仪、激光器结合，用于检测空气中痕量爆炸物分子的NERS-SERS基底微流控光量子物质指纹靶标。所述NERS-SERS基底微流控光量子物质指纹靶标包括微流道单元和温度梯度控制器；温度梯度控制器包括两个微型温度传感器、一个半导体制冷片和一个微型加热片；微流道单元包括金属纳米颗粒溶胶存储器、回收器及四级微流道。在第三级微流道内设有NERS-SERS基底，NERS-SERS基底是由周期正弦型银光栅以及其上的金属纳米颗粒溶胶组成；半导体制冷片和微型加热片的设置能够保证在微流道单元两端产生温度梯度，再通过微型温度传感器检测结果去控制所需的温度梯度，从而利用蒸腾作用驱动微流道单元内金属纳米颗粒溶胶不断更新流动。本发明具有轻便、高集成度、高灵敏度、可连续检测、环保性好等优点，特别适合用于便携、可重复识别空气中存在的痕量弹药等爆炸物的类型、品种及其“拉曼指纹”。