《Optics & Laser Technology》：Refractive index sensing of ethanol solution in a micro Opto-Fluidic chip
编辑推荐：
金纳米颗粒微光流体芯片用于乙醇-水混合物折射率传感研究，通过APTMS与金纳米颗粒交替沉积制备无序分布的传感层，利用1mm厚度玻璃基板波导结构，在590-610nm波段实现折射率与吸光度的线性响应（灵敏度0.030 Δabs/RIU，费米数1.21），有限元模拟证实表面等离子体共振耦合效应，该器件为化学和生物液态分析提供可扩展的低成本高灵敏度平台。
Hung Ji Huang | Zhi-Jia Chen | Jia-Jun Fan | Sy-Hann Chen | Kun-Che Kao | Yung-Shen Lin
国立台湾大学电光工程系，云林632
摘要
在微光流体芯片（MOFC）中，由无序分布的金纳米粒子（Au NPs）构成的传感层能够实现对乙醇-水（EtOH-H2O）混合物的折射率检测。上层盖片使用NOA81紫外线胶水制作，用于定义微流体通道。传统的1毫米厚玻璃片作为平面波导，用于探测光的传播。无序分布的Au NPs传感层是通过交替沉积APTMS薄膜和Au NPs来制备的。不同浓度的EtOH溶液覆盖在这些Au NPs上，能够增强等离子体间隙模式，从而产生宽范围的吸收响应。在590–610纳米范围内测量的数据显示出对覆盖EtOH溶液折射率的线性响应。有限元建模（FEM）模拟证实了强烈的近场表面等离子体共振（SPR）耦合效应。所提出的Au NPs MOFC的最佳平均灵敏度为0.030 Δabs/RIU（每单位吸光度的折射率差），10次Au NPs沉积实验的平均优值为1.21。该设备提供了一个可扩展、低成本且高灵敏度的平台，适用于化学和生化液体分析。
引言
乙醇的检测方法包括微流体、等离子体和电化学传感器，以及光谱学 [1], [2], [3], [4], [5], [6]。在这些方法中，乙醇检测适用于实时、现场测试以及使用小体积测量的超快过程。基于MOFC的设备结合了光与物质的相互作用和流体技术 [1], [7], [8], [9], [10]，使其成为液体中化学/生物传感的理想平台，尤其适用于微型系统。
在大多数与纳米光学相关的MOFC应用中，纳米结构金属材料因其卓越的化学稳定性、催化活性、等离子体增强效应和可调光学性质而受到广泛关注。金属纳米结构可以针对等离子体传感和光学应用进行优化 [7], [8], [9], [10]。Au NPs由于其独特的光学性质，在化学和生物液体传感中表现出强大的增强作用。诱导的SPR效应能够实现高灵敏度的无标记折射率变化检测，而其较大的比表面积则有利于密集的功能化，从而实现选择性分子识别。最近的应用中，Au NPs被用于折射率检测。例如，将Au纳米级岛屿薄膜与Fabry-Pérot腔集成，开发出了具有增强稳定性和低成本的自参考折射率传感器 [11]。混合Au-石墨烯层状结构通过等离子体-电子耦合提高了折射率测量的灵敏度 [12]。六角形、紧密排列的Au NPs阵列由于纳米粒子的形态和排列方式，表现出强烈的宽带吸收和近场增强效应 [13], [14], [15]。U形弯曲光纤传感器通过控制表面化学吸附的Au纳米棒的位置实现了高灵敏度 [9]。多功能微波-等离子体微流体传感器能够同时检测液体分析物中的介电常数、导电率和折射率变化 [10]。通过在金属微通道内的伪表面等离子体极化子波导的环隙中嵌入Au NPs，实现了先进的微流体集成，从而提高了折射率灵敏度同时保持了紧凑性 [16]。借助机器学习对复杂光谱响应进行解码，应用于梳状等离子体光纤传感器，实现了亚纳米级的折射率分辨率 [17]。Fe2O3/Au纳米复合SPR传感器通过光耦合提高了定量乙醇检测的折射率灵敏度 [18]。这些方法代表了光学和等离子体折射率检测领域的重大进展，主要依赖于有序的纳米粒子阵列、单层涂层或周期性金属光栅。
在本研究中，我们报道了使用含有大量无序分布Au NPs的MOFC测量水中的乙醇浓度对折射率的非线性依赖性。测量结果显示，经过吸光度平均后的光谱响应与参考文献 [10], [19], [20], [21] 中报告的结果一致，折射率对乙醇浓度具有非线性依赖性。H2O和EtOH都是极性分子，在不同乙醇浓度下会形成不同的分子间稳定距离。EtOH和H2O分子通过氢键强烈相互作用，形成临时的分子网络。这些相互作用导致体积收缩 [22], [23]、密度非线性变化 [23], [24] 以及折射率的非线性变化 [10], [19], [20], [21]。EtOH-H2O溶液中折射率的异常行为归因于分子聚集和分离现象 [19], [20], [21]。原子力显微镜（AFM）的表面形态测量显示了沉积的Au NPs的分布。使用FEM进行的二维数值计算得出了与上述类似的非线性光学效应。
方法论
为了制备MOFC传感器，首先清洁玻璃片并覆盖塑料胶带，以定义（3-氨基丙基）三甲氧基硅烷（APTMS）和Au NPs循环沉积的目标区域。在APTMS沉积过程中，将适量的1 wt% APTMS溶液覆盖在目标区域，静置60秒，然后用去离子水清洗，空气干燥，随后在60°C下静置60秒进行Au NPs沉积。
MOFC的制备
使用原子力显微镜（Dimension 3100，Veeco Instruments，Santa Barbara，CA）测量沉积的Au NPs的大小和分布。具体来说，从同一样品的多个空间不同区域获取AFM图像，扫描尺寸为1 μm × 1 μm。所有AFM图像均采用一致的图像处理程序进行分析。基于这些数据集，我们进行了定量分析，包括粒子大小分布的直方图等。
结论
本研究展示了一种集成有无序分布Au NPs的微光流体芯片（MOFC），用于检测乙醇-水混合物的折射率。制备的传感器表现出依赖于层的光学响应，其中10层沉积产生的宽带吸光度变化最为显著。590–610纳米范围内的平均吸光度显示出与折射率行为一致的非线性依赖性。最佳优值为1.21。
CRediT作者贡献声明
Hung Ji Huang：撰写 – 审稿与编辑、撰写 – 原稿、可视化、验证、监督、资源管理、项目管理、方法论、研究、资金获取、正式分析、数据管理、概念化。Zhi-Jia Chen：方法论、正式分析、数据管理。Jia-Jun Fan：研究、正式分析、数据管理。Sy-Hann Chen：撰写 – 审稿与编辑、正式分析、数据管理。Kun-Che Kao：撰写 – 审稿与编辑、概念化。
资助
本工作得到了台湾国家科学技术委员会（NSTC 114-2221-E-150-003）和台湾国立大学系统（授权号114-NUST-12）的支持。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的财务利益或个人关系。
