CN102435557A

CN102435557A - 一种金属光栅耦合spr检测芯片及其制作方法

Info

Publication number: CN102435557A
Application number: CN2011103780923A
Authority: CN
Inventors: 王逸群; 刘帆
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2011-11-24
Filing date: 2011-11-24
Publication date: 2012-05-02

Abstract

本发明公开了一种金属光栅耦合SPR检测芯片及其制作方法。该检测芯片包括透明基底，以及形成于基底上的金属光栅耦合层，还有覆设于金属光栅耦合层上的微流体层；其制作方法为：应用激光全息光刻工艺在均匀涂抹于基底表面的光刻胶上形成条纹光栅，再利用金属镀膜工艺形成金属膜，进而剥离光刻胶得到金属光栅耦合层，将制备好的微流体层与金属光栅耦合层键合，得到目标产物。本发明将激光全息光刻工艺应用于SPR检测芯片中，在光栅的制作工艺中，能快速的、大面积的曝光，得到周期性的条纹图形，即一维光栅，进而大大的减少了工艺时间和成本，有利于工业化大规模生产。

Description

一种金属光栅耦合SPR检测芯片及其制作方法

技术领域

本发明涉及表面等离子体共振（SPR）生物、化学检测技术领域的一种检测芯片及其制备方法，特别是一种基于激光全息光刻工艺的金属光栅耦合SPR检测芯片。

背景技术

表面等离子共振（Surface Plasmon Resonance,SPR）是一种光学物理现象。当入射光和金属薄膜表面的自由电子相互作用，在金属薄膜的界面将产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振。分析时，先在检测芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，若样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，会引起金膜表面折射率变化，最终导致SPR角变化，通过检测SPR角度变化，获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。根据激发共振方式的差别，表面等离子体共振传感器的类型主要分为棱镜型、波导型和光栅型，即三种耦合方式。其中，大多数 SPR装置采用棱镜耦合入射光，因为其制作相对简单，但也存在局限性，例如：棱镜上直接镀金属薄膜存在一定的困难，而且检测生物样品时，需要调节入射光的角度，增大了仪器的体积，不利于小型化的发展。

在传统的金属光栅耦合SPR检测装置中，制作金属光栅的工艺，曝光部分一般采用电子束曝光机和步进式曝光机。电子束曝光机主要用于纳米级图形光刻，然而其是对图像逐个进行读写式曝光，这样不利于曝光大面积的图形，将花费大量的时间；步进式曝光机能曝光大面积图像，但投影曝光机价格昂贵以及高成本的掩模版制备过程，使光刻的成本很高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光全息光刻工艺得到大面积的光栅图形，应用于SPR检测芯片中，形成基于金属光栅耦合的SPR芯片，可进行生物、化学检测。在制备金属光栅耦合层工艺中使用激光全息光刻工艺，能快速的、大面积的曝光，得到周期性的条纹图形，即一维光栅，进而大大的减少了工艺时间和成本，有利于工业化大规模生产。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是，它包括：

透明基底；

形成于透明基底上的金属光栅耦合层，所述金属光栅耦合层上修饰有用以识别待检测样品的生物分子，且所述金属光栅耦合层的光栅周期在1000nm以下；

以及，覆设于金属光栅耦合层上的微流体层，所述微流体层中分布的微流体通道与金属光栅耦合层交叉接触。

所述透明基底由透明有机材料或透明无机材料构成，所述透明无机材料包括玻璃。

所述金属光栅耦合层的厚度不超过200nm。

所述金属光栅的周期不超过1000nm。

所述金属光栅耦合层由Au或Ag形成。

所述微流体层由透明有机材料形成，所述透明有机材料包括聚二甲基硅氧烷。

如上所述金属光栅耦合SPR检测芯片的制作方法，其特征在于，该方法为：应用激光全息光刻工艺在均匀涂抹于基底表面的光刻胶层上形成条纹光栅，在上述的条纹光栅上利用金属镀膜工艺形成金属膜，进而剥离光刻胶得到金属光栅耦合层；将制备好的微流体层与金属光栅耦合层键合，得到目标产物。

更具体的讲，该方法包括如下步骤：

a)、在透明的基底表面上均匀涂覆光刻胶层；

b)、应用激光全息光刻工艺在前述的光刻胶层上形成条纹光栅；

c)、利用金属镀膜工艺在前述的条纹光栅上形成金属膜，所述的金属镀膜工艺包括电子束蒸发工艺；

d)、剥离光刻胶，得到金属光栅耦合层；

e)、在前述金属光栅耦合层表面修饰用以识别待检测样品的生物分子；

f)、制作具有微流体通道的微流体层；

g)、将制备好的微流体层与金属光栅耦合层键合，得到目标产物。

更进一步的，微流体层的制作方法为：以透明有机材料为主体材料，通过光刻胶作为掩膜曝光形成微流体通道图形，再蚀刻图形得到目标产物；所述的透明有机材料优选使用聚二甲基硅氧烷。

通过本发明设计的芯片结构，利用金属光栅耦合入射光与金属表面的自由电子发生共振，形成沿着金属表面传播的电子疏密波即表面等离子体激元，检测反射或透射光谱的峰位变化即SPR的响应峰的峰位, 得到被测样品在反应前、后的光谱峰值位移的变化，来确定生物信息。

与现有技术相比，本发明的优点至少在于：在制备金属光栅耦合层工艺中使用激光全息光刻工艺，能快速的、大面积的曝光，得到周期性的条纹图形，即一维光栅，进而大大的减少了工艺时间和成本，有利于工业化大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例1中金属光栅耦合SPR检测芯片的结构示意图；

图2为本发明实施例1中制备金属光栅耦合层的激光全息光刻工艺的原理图；

附图中各标记的含义如下：11～透明基底，12～金属光栅耦合层，13～微流体层，21～激光器，22～分光镜，23～反射镜，24～光刻胶基底。

具体实施方式

以下结合附图及一较佳实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。

实施例1 参阅图1，该金属光栅耦合SPR检测芯片包括：透明基底11、金属光栅耦合层12以及微流体层13，所述的微流体层中分布有微流体通道与金属光栅耦合层键合；微流体通道与金属光栅耦合层交叉接触。

前述透明基底由透明有机材料或透明无机材料构成，优选使用玻璃。

前述的金属光栅是通过激光全息光刻工艺制备而成，其原理参阅图2。应用激光全息光刻工艺在均匀涂抹于基底表面的光刻胶层上形成条纹光栅。在上述的条纹光栅上利用电子束蒸发工艺形成金属膜，进而剥离光刻胶得到金属光栅耦合层。该金属薄膜厚度不超过200nm，其优选采用厚100nm的Au膜。光栅的周期为1000nm。

前述微流体层由具有透光性的材料形成，例如，可选用聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）作为主体材料。

前述检测芯片的制备方法如下：

a)、在透明的基底表面上均匀涂覆光刻胶层；

c)、利用电子束蒸发工艺形成金属膜；

d)、剥离光刻胶，得到金属光栅耦合层；

e)、将前述金属光栅耦合层表面使用生物蛋白修饰，使生物蛋白键合在金属光栅耦合层表面，当含有某种病毒的样品通过金属表面时，就能粘附在对应这种病毒的蛋白键上，使得金属表面介质的介电常数改变；

f)、制作具有微流体通道的微流体层：以聚二甲基硅氧烷（Polydimethylsiloxane，PDMS）为主体材料，通过光刻胶作为掩膜，用紫外曝光机制备出微流体通道的图形，然后刻蚀图形；

本发明采用激光全息光刻工艺形成金属光栅结构，即，使用多束激光在晶片表面重迭发生干涉效应从而产生各种由光亮区和暗区构成的干涉图形，图形以周期排列，图形的最小线宽可达波长的几分之一，因此本发明形成的金属光栅结构与传统的刻划光栅相比，具有光谱中无鬼线、杂散光少、分辨率高、有效孔径大、生产效率高，成本低廉等突出优点，可广泛应用于各种光栅光谱仪中，供科研、教学、产品开发之用，并能大大的减少工艺时间和成本，有利于工业化大规模生产。

需要指出是，上述实施例是为了让本领域的技术人员更好的理解本发明的内容，根据本发明技术方案和技术构思做出其它各种相应的改变和变形都应属于本发明权利要求的保护范围。

Claims

1.一种金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是，它包括：

透明基底；

2.根据权利要求1所述的金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是：所述透明基底由透明有机材料或透明无机材料构成，所述透明无机材料包括玻璃。

3.根据权利要求1所述的金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是：所述金属光栅耦合层由Au或Ag形成，其厚度在200nm以下。

4.根据权利要求1所述的金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是：所述微流体层由透明有机材料制成，所述透明有机材料包括聚二甲基硅氧烷。

5.根据权利要求1所述的金属光栅耦合SPR检测芯片，其特征是：所述微流体层与金属光栅耦合层键合。

6.一种如权利要求1所述金属光栅耦合SPR检测芯片的制作方法，其特征在于，它包括以下步骤：

a)、在透明基底表面上均匀涂覆光刻胶层；

b)、应用激光全息光刻工艺在前述光刻胶层上形成条纹光栅；

c)、利用金属镀膜工艺在前述条纹光栅上形成金属膜，所述金属镀膜工艺包括电子束蒸发工艺；

d)、剥离光刻胶，得到金属光栅耦合层；

f)、制作具有微流体通道的微流体层；

7.根据权利要求6所述金属光栅耦合SPR检测芯片的制作方法，其特征是：步骤c)形成的金属膜的材质为Au或Ag，其厚度在200nm以下，且最终所形成的金属光栅周期在1000nm以下。

8.根据权利要求6所述的金属光栅耦合SPR检测芯片的制作方法，其特征是：步骤f)中微流体层的制作方法为：以透明有机材料为主体材料，通过光刻胶作为掩膜曝光形成微流体通道图形，再蚀刻图形得到目标产品；

所述透明有机材料包括聚二甲基硅氧烷。