材料化學檢測[1]，如麻醉劑檢測及一些生物分子探測[2]。對表面增強拉曼散射（SERS）技術而言，其商業化應用于痕量爆炸物探測的技術瓶頸在于：1）分子的拉曼散射光譜強度遠遠低于其熒光光譜，目前以金、銀溶膠為代表的比較成熟、成本適宜于商業化推廣的增強技術也還存在溶膠增強能力的穩定性問題[3]；2）連續探測時SERS基底的更新問題。
仿生學[4]的出現為科技創新提供了新思路。江雷[5]團隊利用“荷葉”效應研發了大接觸角的疏水表面材料。利用“蛾眼”結構，科學家研發了寬帶抗反射表面[6]。而對于爆炸物探測來說，嗅爆犬一直是軍隊、警方搜索隱藏爆炸物的得力助手，其高靈敏度的探測引起了科研人員的注意。醫學研究表明，嗅爆犬具有特殊的鼻腔構造，使得它們具有特別敏銳的嗅覺，隨即，美國的科研人員提出通過微納加工技術MEMS[7]構建嗅爆犬的鼻腔近似結構，結合SERS技術應用于痕量爆炸物的探測。類“嗅爆犬鼻腔”結構的主體為自由表面微流道，該微流道工作原理為含有痕量目標分子空氣流流經微流道，在微流道自由表面進行氣-液（相）傳質交換。微流道自由表面液體區域具有濃縮器的功用，其最大能提高目標分子濃度達106倍[8]，并結合SERS技術的增強作用，最終能實現爆炸物分子的痕量探測，達到嗅探犬的靈敏度。
自由表面微流道結合SERS應用于痕量爆炸物分子的探測中，研究銀溶膠在微流道中的團聚行為有助于確定作為SERS主要載體的銀溶膠二聚體的特性，即二聚體最大濃度值及位置與銀溶膠濃度、流體流速的關系。根據該關系可實現于拉曼光收集位置出現最大濃度的二聚體，極大提高拉曼散射信號，從而提高痕量探測精度。
1 自由表面微流道結構及其工作原理
自由表面微流道是基于MEMS技術在硅芯片上刻蝕而成，如圖1所示。該微流道長為0.6 mm，寬15 μm，兩端流道深約為40 μm，中間流道較淺約為4 μm。銀溶膠溶液從左端入口流入，待測目標分子在c流道上表面經氣液（相）傳質交換進入流道，待測分子進入流道后，在b、c流道中開始團聚反應，最終于b流道中出現最大濃度的二聚體。該自由表面微流道具有很大表面體積比，具有預濃縮的功用，在一定條件下最大提高目標分子濃度達106倍。由于大多數爆炸物分子在常壓中濃度都很低，自由表面微流道的預濃縮效應很大程度的提升了探測精度。
2 模型建立
2.1 控制方程、邊界條件及初始條件
2.2 仿真模型及材料屬性
為了易于收斂，選擇基于微流道的2D界面進行仿真，幾何模型如圖2所示。設置1為銀溶膠溶液入口，2為目標分子入口，3為流體出口。流體介質為等離子水。仿真材料屬性參數如表1所示。
利用自由剖分三角形網格對微流道進行劃分，單元數為15 036個。通過參數化掃描設置如表2所示，研究各相關參數對二聚體濃度的影響。研究時間T=2 000 s，時間步長為10 s，相對容差為0.01，求解時間約1 h。
3 結果與分析
3.1 銀溶膠濃度與二聚體濃度的關系
通過對銀溶膠濃度參數化掃描（1.0×10-5，1.0×10-5，4.0×10-5），求解得到其中3種不同的銀溶膠濃度下二聚體濃度分布如圖3所示。
圖4為二聚體的最大濃度、平均濃度與銀溶膠濃度關系圖，圖中二聚體最大濃度值與其平均濃度值都隨銀溶膠濃度的增大而增大。同時，可以看到銀溶膠濃度與二聚體最大濃度存在線性增長關系。通過提取銀溶膠濃度與二聚體最大濃度關系數據，得出兩者的線性關系式：
顯然，銀溶膠濃度是決定二聚體達到最大濃度的關鍵參數，且通過該結論能夠較為準確地確定二聚體最大濃度值，以實現最優探測。
3.2 流體流速與二聚體濃度的關系
通過對流速參數化掃描（4.0×10-6，1.0×10-6，1.0×10-5），求解得到其中3種不同的流速下二聚體濃度分布如圖5所示。
圖6所示為二聚體最大濃度、平均濃度與流速關系圖，圖中二聚體最大濃度隨流速的增大增長緩慢，且增長幅度較小；而二聚體平均濃度隨著流速的增大，增長幅度較大。由此，得出流速對銀溶膠的團聚速率影響很小，但其引起了銀溶膠的強制對流從而使銀溶膠平均濃度在增大的同時逐漸趨于平穩。進一步對不同的流速下最大濃度出現位置數據提取，得到如圖7所示的關系圖，從圖中得到流速與二聚體最大濃度位置同樣也存在著線性關系：x=8.357×103u+0.000 4。顯然，流速是決定二聚體最大濃度于流道位置的關鍵參數。根據以上關系，可以有效控制二聚體濃度出現在激光探頭照射位置，實現高效探測。
4 結束語
本文通過研究銀溶膠濃度、流體流速對銀溶膠團聚運動的影響，得到以下結論：
1）團聚形成的二聚體最大濃度值隨著銀溶膠濃度的增大而增大，且兩者有線性關系：C2=0.190 5×C1。
2）流體流速對團聚形成的二聚體最大濃度影響很小，對二聚體平均濃度影響較大。由此，我們確定流體流速不改變銀溶膠的團聚速率，僅引起強制對流使二聚體加速擴散，最終使得微流道中的二聚體濃度趨于平衡。此外，改變流體流速能夠改變二聚體最大濃度于微流道中的位置，且兩者形成線性關系：x=8.357×103u+0.000 4。
3）本文通過研究銀溶膠濃度、流體流速對團聚形成的二聚體濃度的影響。得出了銀溶膠濃度決定二聚體的最大濃度值；流體流速決定二聚體最大濃度位置。由此，通過調節兩項關鍵參數，能夠實現二聚體最大濃度較為精準地出現在拉曼信號收集位置，提高拉曼光譜強度，進而實現最優探測。
參考文獻
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（編輯：莫婕）
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