一種spr傳感芯片及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)生物傳感領(lǐng)域，具體涉及一種SPR傳感芯片及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面等離子共振(SPR)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。在兩種不同折射率(refractiveindex)的透明介質(zhì)交界面上(如玻璃和水)，當(dāng)一束光線從高折射率介質(zhì)入射到低折射率介質(zhì)，光線將發(fā)生折射和反射。當(dāng)入射角增大到某一特定值時(shí)，折射角等于90°，此時(shí)光沿著與界面相切的方向射出，此時(shí)的入射角稱為臨界角。如果入射角超過(guò)臨界角，則入射光線將不會(huì)進(jìn)入另一介質(zhì)，而全部被反射回入射介質(zhì)中，發(fā)生全內(nèi)反射。
[0003]實(shí)際上，盡管全部入射光被反射，一種叫漸逝波(evanescent wave)的電磁場(chǎng)會(huì)穿過(guò)界面滲透到低折射率介質(zhì)中，能量呈指數(shù)衰減。若在界面處鍍上一層金屬薄膜(一般鍍金膜或銀膜)，則金屬薄膜表面的自由電子受入射光激發(fā)而產(chǎn)生電荷振蕩，進(jìn)而形成表面等離子體(SP)。調(diào)整光的入射角或波長(zhǎng)到某一適當(dāng)值時(shí)，SP與漸逝波的頻率和波數(shù)相等，二者便發(fā)生能量耦合，形成表面等離子共振。共振時(shí)界面處的全反射條件將被破壞，入射光能量被轉(zhuǎn)移到表面等離子體波(Surface plasmon Wave，SPW)中，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)度在傳播中急劇下降，呈現(xiàn)衰減全反射(attenuated total reflect1n，ATR)現(xiàn)象。其中使反射光完全消失的入射光角度稱為共振角(SPR angle)。共振角會(huì)隨著金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率的改變而改變，而折射率的變化與結(jié)合在金屬表面的分子的質(zhì)量成正比。因此通過(guò)分析共振角，就可以得到分子間相互作用的信息。
[0004]SPR傳感技術(shù)具有無(wú)需標(biāo)記、對(duì)表面特性和物質(zhì)變化敏感，實(shí)時(shí)、快速和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)，臨床診斷，藥物篩選，食品安全，環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，檢測(cè)對(duì)象包括蛋白、核酸、激素、毒素、農(nóng)藥、細(xì)胞、微生物等。
[0005]隨著社會(huì)上對(duì)于大規(guī)?？焖贆z測(cè)技術(shù)的需求的增長(zhǎng)，高通量的SPR傳感技術(shù)已成為SPR技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。其中SPR成像傳感技術(shù)(也可稱為SPRi)是研宄最廣、最具有代表性的一類。其基本工作過(guò)程為:光源發(fā)出的平行光入射到具有傳感點(diǎn)陣列的SPR芯片表面，傳感點(diǎn)陣列通過(guò)光學(xué)系統(tǒng)成像于圖像傳感器靶面，同時(shí)芯片表面反射的光也被圖像傳感器接收。
[0006]SPR傳感芯片是SPR成像傳感器的核心組件，其主要包括平面玻璃基板、金屬膜和表面基質(zhì)三部分。SPR傳感芯片提供了產(chǎn)生SPR信號(hào)的必需物理?xiàng)l件，并且分子相互作用的研宄也是在SPR傳感芯片表面進(jìn)行的。
[0007]根據(jù)檢測(cè)的光信號(hào)不同，SPR成像傳感器通?？煞譃楣鈴?qiáng)調(diào)制型和相位調(diào)制型。相比于相位調(diào)制所需要的復(fù)雜系統(tǒng)，光強(qiáng)調(diào)制型SPR成像傳感器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大，得到了比較廣泛的應(yīng)用；但目前存在的問(wèn)題是其分辨率在10_5?10_6RIU之間，靈敏度普遍低于通道型SPR傳感器以及相位調(diào)制型SPR成像傳感器。主要原因是其SPR傳感芯片普遍采用平板金屬膜，即在平面玻璃基板上直接鍍上一層金屬膜，其傳感靈敏度較低。如何提高光強(qiáng)調(diào)制型SPR成像傳感器的靈敏度成為了當(dāng)前的研宄熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明提供了一種SPR傳感芯片，該SPR傳感芯片性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、靈敏度高，易于實(shí)現(xiàn)高通量檢測(cè)。
[0009]一種SPR傳感芯片，包括平面玻璃基板，所述平面玻璃基板上覆蓋有厚度大于150nm的第一金屬膜，所述第一金屬膜的頂面設(shè)有微孔陣列，每一微孔的底部均覆蓋有第二金屬膜，所述第二金屬膜的頂面設(shè)有周期排列的若干納米金屬線。
[0010]如未作特殊說(shuō)明，本發(fā)明中“周期排列”均是指相鄰的納米金屬線以一定的間隔平行排列；每根納米金屬線的兩端均抵接微孔的內(nèi)壁。
[0011]本發(fā)明利用第一金屬膜在SPR傳感芯片上形成微孔陣列，當(dāng)入射光從平面玻璃基板的底部照射到平面玻璃基板與金屬膜(包括第一金屬膜和第二金屬膜)的界面時(shí)，在金屬膜上產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。其中在第二金屬膜上產(chǎn)生的SPR，一方面耦合到周期排列的納米金屬線中產(chǎn)生局域表面等離子體共振(LSPR)，LSPR具有較強(qiáng)的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)，能夠有效提高SPR傳感的靈敏度；另一方面在微孔底部產(chǎn)生表面等離子體波(SPW)，SPW在水平傳播過(guò)程中會(huì)受到微孔內(nèi)壁的反射，從而與前向傳播的SPW干涉形成駐波而被束縛在微孔內(nèi)部，駐波的電磁場(chǎng)也有一定程度的增強(qiáng)，電磁場(chǎng)增強(qiáng)可進(jìn)一步提高SPR傳感的靈敏度。
[0012]其中，LSPR主要集中在納米金屬線表面兩個(gè)尖銳的邊緣，從而在每一納米金屬線的兩側(cè)均引起局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)；而駐波引起的局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)主要集中在微孔的邊緣，從而整個(gè)微孔內(nèi)的電磁場(chǎng)均得到增強(qiáng)。
[0013]同時(shí)，由于第一金屬膜的厚度大于150nm，因此在第一金屬膜上因SPR產(chǎn)生的電磁場(chǎng)無(wú)法穿透第一金屬膜，同時(shí)微孔內(nèi)的SPW又被第一金屬膜包圍而成的微孔所束縛，從而無(wú)法到達(dá)相鄰的微孔，避免了信號(hào)的交叉干擾，有利于降低噪聲，提高了 SPR傳感的信噪比，便于實(shí)現(xiàn)高通量的SPR傳感。
[0014]作為優(yōu)選，每個(gè)微孔的規(guī)格為:100?500 ym(長(zhǎng))*100?500 μπι(寬)*150?300nm(高，即第一金屬膜的厚度)。
[0015]作為優(yōu)選，所述第二金屬膜的厚度為30?50nm。以便能在第二金屬膜的表面產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。
[0016]作為優(yōu)選，每個(gè)微孔內(nèi)至少設(shè)有30根納米金屬線。納米金屬線的根數(shù)越多，則周期排列的納米金屬線能更有效地產(chǎn)生局域表面等離子體共振(LSPR)。
[0017]作為優(yōu)選，兩納米金屬線之間間隔的寬度與納米金屬線的線寬比為1:0.5?2 ;更優(yōu)選為1:1。間隔寬度與線寬的適宜比例有利于產(chǎn)生較強(qiáng)的LSPR，申請(qǐng)人經(jīng)過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，與其他比例相比，當(dāng)納米金屬線與納米金屬線之間間隔的寬度比為1:1時(shí)，周期排列的納米金屬線產(chǎn)生的LSPR最強(qiáng)。
[0018]作為進(jìn)一步優(yōu)選，間隔寬度與納米金屬線的線寬均為100nm(則周期為200nm)，所述納米金屬線的厚度為10?20nm。
[0019]作為優(yōu)選，所述第一金屬膜的厚度為150?300nm。既能保證SPR無(wú)法穿透第一金屬膜，也避免第一金屬膜過(guò)厚造成資源浪費(fèi)。為保證良好的透光性，作為優(yōu)選，所述平面玻璃基板的厚度不超過(guò)0.5mm。
[0020]本發(fā)明還提供了所述SPR傳感芯片的制備方法，依次包括以下步驟:
[0021](I)在洗凈的平面玻璃基板上依次鍍上鉻層和第一金屬膜；
[0022](2)在第一金屬膜的頂面預(yù)留用于開(kāi)設(shè)微孔的位置，其余部位覆蓋保護(hù)膜；
[0023](3)在第一金屬膜的預(yù)留位置處開(kāi)設(shè)微孔，然后除去保護(hù)膜；
[0024](4)在微孔底部鍍第二金屬膜，并在第二金屬膜的頂面依次刻蝕或沉積出每根納米金屬線。
[0025]在第二金屬膜的表面修飾不同的生物敏感膜，使SPR傳感芯片的每個(gè)微孔均具有檢測(cè)特異性，從而可以同時(shí)檢測(cè)多種樣品，實(shí)現(xiàn)高通量高靈敏的生物傳感。
[0026]本發(fā)明還提供了一種SPR傳感器，包括棱鏡，以及與棱鏡相親合的SPR傳感芯片，所述SPR傳感芯片即為本發(fā)明所述SPR傳感芯片，所述棱鏡與SPR傳感芯片中平面玻璃基板的材質(zhì)相同。
[0027]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果為:
[0028]本發(fā)明的SPR傳感芯片上設(shè)有微孔陣列，在每一微孔的底部覆蓋第二金屬膜，在第二金屬膜上設(shè)置周期排列的納米金屬線，一方面對(duì)SPR傳感芯片的靈敏度具有雙重增強(qiáng)效果，該雙重增強(qiáng)效果體現(xiàn)在:第二金屬膜上產(chǎn)生的SPR—方面耦合到周期排列的納米金屬線中產(chǎn)生LSPR，LSPR主要集中在納米金屬線表面兩個(gè)尖銳的邊緣，從而在每一納米金屬線的兩側(cè)均引起局域電磁場(chǎng)增強(qiáng)；另一方面在微孔底部產(chǎn)生SPW，SPW在水平傳播過(guò)程中會(huì)受到微孔內(nèi)壁的反射，從而與前向傳播的SPW干涉形成駐波而被束縛在微孔內(nèi)部，駐波的電磁場(chǎng)也有一定程度的增強(qiáng)且主要集中在微孔的邊緣；從而整個(gè)微孔內(nèi)的電磁場(chǎng)均得到增強(qiáng)，可使SPR傳感芯片的靈敏度提高15?30倍；同