CN101398377A - 聚合物spr芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种表面等离子体谐振(Surface Plasmon Resonance，SPR)芯片及制备方法，属于微机电系统技术领域，该SPR芯片包括反射棱镜、金属膜和样品流道结构，棱镜为一聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列，金属膜在所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列的背面，与聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列相对应的一个或多个样品流道结构也采用聚合物材料，样品流道结构与所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列热压键合在一起。本发明通过MEMS微加工的方法制作聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列及样品流道结构，可以实现批量化生产。本发明SPR芯片不仅成本低，而且便于携带，适用于实时检测和一次性使用。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统技术领域，尤其涉及一种表面等离子体谐振(Surface PlasmonResonance，SPR)芯片及其制备方法。
背景技术
二十一世纪是交叉学科发展的时代，特别是生物芯片的研制和生化检测技术。传感技术是信息获取的一个重要手段，利用传感技术获取生物样品的信息是生物检测技术发展的一个重要内容。
其中，光学方法具有非破坏性和高灵敏度的特点，而被认为是最成熟和最好的生物测试技术。自Wood在光学实验中首次发现表面等离子体共振(SPR)现象以来，SPR仪器和SPR生物传感器的研究一直受到关注。
SPR生化传感技术的理论基础是表面等离子体谐振的光学物理现象。如果一束单色偏振光在一定的入射角范围内，透过玻璃，照射到镀在玻璃表面的银薄膜或金薄膜上时，此时玻璃为光疏介质，金属薄膜为光密介质，因此发生全反射，光束被金属薄膜反射出去。但是金属薄膜表面存在着一层自由电子(称为表面等离子体)，入射光的一部分能量会被表面等离子体吸收。当入射光的波矢与表面等离子体的固有振荡频率相匹配时，引起自由电子发生共振，此时入射光子的大部分能量被金属膜表面电子吸收，使反射光的能量最小，此种现象称为表面等离子体谐振。发生表面等离子体谐振时的入射角度称为SPR角。
SPR现象对附着在金属表面的电介质的折射率非常敏感。附着在金属膜表面上的电介质不同，或同种电介质的数量不同，都会引起SPR角的移动。根据上述原理，SPR生物传感技术通常将已知的生物分子(如抗体)固定在金属膜表面，并将含有互补目标生物分子(如目标抗原)的溶液流过金属表面，两者结合或解离将使金属膜溶液界面的折射率发生变化，从而引起SPR角的移动，据此可以检测生物分子间的相互作用。由SPR曲线可获得如下信息：哪些分子发生了相互作用，相互作用的强度，结合和解离的速度，样品中分析物浓度，是否存在异构效应，结合位点分析，复合物中不同成分对结合的影响等。
基于SPR原理的生物传感产品已有很多报道，一般的SPR生物传感器主要是由光源1、反射棱镜4、金属膜8、待测样品流道结构10、生化修饰层9和探测器6构成，具体结构见图1。其中SPR芯片是由玻璃基质的反射棱镜4、金属膜8、生化修饰层9和待测样品流道硅结构10组成，其制备方法为，在反射棱镜4上制备一层很薄的金属膜8，在金属膜上制备生化修饰层9，再用一种折射率与棱镜匹配的聚合物将待测样品流道硅结构耦合到玻璃棱镜上。现有的SPR芯片由于选择了上述反射棱镜和待测样品流道结构，其尺寸较大、结构复杂，而且还存在加工困难，测试不方便，成本相对较高等缺陷，因此目前基于SPR原理的生物传感产品只应用于一些大型的实验室。
发明内容
针对上述现有SPR芯片存在的问题，本发明的目的是提供一种结构简单的SPR芯片，该芯片性能高、成本低。
本发明的上述目的是通过如下技术方案来实现的：
一种聚合物SPR芯片，包括反射棱镜、金属膜和样品流道结构，其特征在于，反射棱镜为一聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列，金属膜在所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列的背面，与聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列相对应的一个或多个样品流道结构也采用聚合物材料，样品流道结构与所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列热压键合在一起。
所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列的材料可是聚甲基丙烯甲脂(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
样品流道结构的材料可为聚甲基丙烯甲脂(PMMA)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
在所述金属膜的外表面上做一层化学修饰层。
聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列中的棱镜的底角可以在20°到60°之间。
聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列中的棱镜的截面可以是三角形，也可以是梯形。
一种聚合物SPR芯片的制备方法，其步骤包括：
1)清洗硅片，在硅片表面长一层氮化硅；
2)光刻，用离子刻蚀开窗，去胶，KOH腐蚀，形成聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列以及样品流道结构的模具，并对模具表面做处理；
3)用聚合物光学棱镜的材料注模复制出棱镜或棱镜阵列；
4)用聚合物材料注模复制出样品流道结构；
5)在聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列背面溅射或电子束蒸发形成金属膜；
6)将聚合物棱镜或聚合物棱镜阵列及样品流道结构与硅模具进行剥离；
7)通过热压将聚合物光学棱镜与聚合物样品流道结构键合在一起。
在步骤7)之前，在所述聚合物样品流道结构上，与聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列键合处，可涂上SU8光刻胶。
本发明的优点和积极效果：
本发明克服当前SPR芯片结构复杂、制备工艺难度大等缺点，实现一个低成本、高性能的微型SPR芯片，本发明中棱镜材料采用低成本、易于加工的聚合物材料代替传统的玻璃，该聚合物材料的折射率与玻璃的折射率相近，并且可能用微加工工艺制作棱镜阵列。本发明聚合物棱镜或棱镜阵列中的棱镜的截面可以是三角形，也可以是梯形，棱镜的底角可以在20°到60°之间，根据测试光源的波长不同，棱镜的底角和截面为梯形时的上下边长略有不同。同时也可以用微加工的方法制作出样品流道，然后将微流体装置进行集成完成芯片制作，可以实现批量化生产。该芯片不仅成本低，而且便于携带，适用于实时检测和一次性使用。同时也解决了聚合物材料芯片的制作工艺。
本发明的SPR芯片可具有多个测试单元，有不同尺寸和不同形状的棱镜，配合相应的测试光学系统、检测系统和信息处理系统，可以实现多组份和多参数测试。
附图说明：
图1是现有SPR生物传感器的结构示意图，其中，
1——激光光源，2——光纤，3——准直与偏振器件，4——棱镜，5——数据传输线，6——光电探测器，7——计算机，8——金属膜，9——生化修饰层，10——待测样品流道结构，11——待测样品；
图2是本发明SPR芯片的结构示意图，其中，
21——聚合物光学棱镜阵列，22——金属膜，23——样品流道，24——样品流道结构；
图3是本发明SPR芯片的制备流程图，其中，
1-1、1-2、1-3为聚合物样品流道结构的制备示意图；
1-1、1-2、1-3为聚合物光学棱镜阵列的制备示意图；
4为聚合物光学棱镜与聚合物样品流道结构键合示意图；
图4是采用本发明SPR芯片进行检测的结果示意图。
具体实施方式：
下面的具体实施例有助于理解本发明的特征和优点，但本发明的实施决不仅局限于所述的实施例。
选用聚甲基丙烯甲脂(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料来制作棱镜和样品流道，SPR芯片的结构如图2所示，具体制作工艺如图3所示，其制备工艺步骤为：
利用MEMS工艺制作硅模具，包括：
清洗硅片，在硅片表面长一层氮化硅；
光刻，用离子刻蚀开窗，去胶，KOH腐蚀，形成聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列以及样品流道结构的硅模具；
通过注模复制出PMMA或PDMS棱镜阵列，棱镜的底角为57.74°或35.3°；
在PMMA或PDMS材料棱镜阵列背面通过溅射和电子束蒸发形成一层金膜，其厚度的大小为20-90nm。
同时，通过注模制作PMMA或PDMS样品流道结构，样品流道结构的高度为200-500微米；
在聚合物样品流道结构上，与PMMA或PDMS棱镜阵列接触的部分涂上SU8光刻胶
通过热压键合实现聚合物样品流道结构和聚合物棱镜阵列集成在一起。
图4是采用本发明SPR芯片的测试结果示意图，采用的检测样品分别为：水，50％乙醇和乙醇，可以检测到明显的共振角的变化。
以上通过详细实施例描述了本发明所提供的聚合物SPR芯片及制备方法，本领域的技术人员应当理解，在不脱离本发明实质的范围内，可以对本发明做一定的变形或修改；其制备方法也不限于实施例中所公开的内容。
Claims (7)
1、一种聚合物SPR芯片，包括反射棱镜、金属膜和样品流道结构，其特征在于，反射棱镜为一聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列，金属膜在所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列的背面，与聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列相对应的一个或多个样品流道结构也采用聚合物材料，所述样品流道结构与所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列通过热压键合在一起。
2、如权利要求1所述的聚合物SPR芯片，其特征在于：所述聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列的材料是聚甲基丙烯甲脂和聚二甲基硅氧烷。
3、如权利要求1或2所述的聚合物SPR芯片，其特征在于：样品流道结构的材料为聚甲基丙烯甲脂和聚二甲基硅氧烷。
4、如权利要求1或2所述的聚合物SPR芯片，其特征在于：聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列中的棱镜的底角值为20°到60°之间。
5、如权利要求4所述的聚合物SPR芯片，其特征在于：聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列中的棱镜的截面是三角形或梯形。
6、一种聚合物SPR芯片的制备方法，其步骤包括：
1)清洗硅片，在硅片表面长一层氮化硅；
2)光刻，并离子刻蚀开窗，去胶，KOH腐蚀，形成聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列以及样品流道结构的硅模具，对硅模具表面做处理；
3)用聚合物光学棱镜的材料注模，复制出棱镜或棱镜阵列；
4)用聚合物材料注模复制出样品流道结构；
5)在聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列背面溅射或电子束蒸发形成金属膜；
6)将聚合物棱镜或聚合物棱镜阵列及样品流道结构与硅模具进行剥离；
7)通过热压将聚合物光学棱镜与聚合物样品流道结构键合在一起。
7、如权利要求6所述的聚合物SPR芯片的制备方法，其特征在于：在步骤7)之前，在所述聚合物样品流道结构上，与聚合物光学棱镜或聚合物光学棱镜阵列键合处，涂上SU8光刻胶。
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