CN104198441A - 一种限域型表面等离子体共振传感器、制备方法及其应用 - Google Patents

Abstract

一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器、制备方法及其在对抗人免疫球蛋白免疫识别方面的应用，属于材料科学领域。本方法涉及到掩模遮蔽技术、物理气相沉积技术以及一些组装和刻蚀方面的技术。整个过程操作简便，过程低耗清洁，可控性高。通过控制刻蚀和金属沉积的条件，可以制备不同尺寸纳米间隙的纳米火山-圆盘复合阵列。圆盘与火山内壁之间的间隙可以在共振激发下具有增强的电场强度，使传感灵敏度得到很大的提升，而且可以将检测过程限制在火山内部，制备成新型的限域传感器，极大的减少了背景噪音，充分利用电场增强和节约了昂贵的检测物质，使传感过程更加高效和低成本。

Description

一种限域型表面等离子体共振传感器、制备方法及其应用

技术领域

本发明属于材料科学领域，具体涉及一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器、制备方法及其在对抗人免疫球蛋白免疫识别方面的应用。

背景技术

等离子体材料，被定义为支持表面等离子体共振的金属纳米结构，已经成为应用最广泛的化学传感器之一。相对于传统的化学传感器，表面等离子体传感器有一系列的优点，包括无需标记、可探测微小区域、可大规模多路复用、容易与微流体设备结合以及极高的灵敏度。所有这些优秀的性质催生了许多类型的基于等离子体共振的传感器。

其中具有很小间隙的纳米结构得到了极大的关注，因为其不仅可以在共振激发下产生很强的电场增强，很大的提高灵敏度，而且在光电捕捉和单分子检测上具有巨大的应用前景。然而制备纳米间隙需要很高的精准度，一些物理方法，例如电子束刻蚀和聚焦离子束刻蚀，成为了主要的制备方法。然而为了更好地转化为实用器件，需要开发低成本而有效率的技术来制备所需的纳米间隙。这正是本发明要解决的问题。而制备新的具有纳米间隙的等离子体材料，探索新的结构和性质之间的关系并利用这些性质制备相应的器件一直以来都是本领域的核心问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种步骤简单、低耗、具有限域检测作用的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器及其制备方法，其步骤如下：

1)以1000～3000rpm的转速将40～50wt％的正向光刻胶溶液旋涂到亲水基底上，然后在80～120℃条件下固化0.5～1小时，从而在亲水基底上得到200～600nm厚的光刻胶薄膜；

2)向1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～10000rpm转速下离心3～5分钟，重复加入去离子水和离心过程4～7次；在最后离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1～3的乙醇和去离子水的混合液，在4000～10000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水及离心过程4～20次，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；

3)用注射器吸取0.1～0.5mL上述制得的分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，然后再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂，从而在基底上得到聚苯乙烯微球阵列；

4)将上述聚苯乙烯微球阵列在气压为5～10mTorr、温度为10～20℃、氧气流速为10～50sccm、功率为100～200W的条件下沿基底法线方向刻蚀100～500秒；刻蚀之后得到圆台状的光刻胶阵列和在其上尺寸减小的聚苯乙烯微球；然后在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下沿基底法线方向热蒸发沉积金属银，沉积速度为从而在圆台状光刻胶阵列和尺寸减小的聚苯乙烯微球上得到厚度为50～100nm的金属银；

5)将上述样品放置在甲苯溶液中超声10～60秒，去除聚苯乙烯微球，后用氮气吹干；再放入到无水乙醇中浸泡2～3小时，使光刻胶溶解到乙醇中，达到除去光刻胶的目的，进而得到内部中空的、圆台状的纳米火山型金属银阵列薄膜；

6)将上述纳米火山型金属银阵列薄膜放入2～6mM巯基十六烷酸中10～14小时，然后将样品在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下再次沿基底法线方向热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积厚度为20～100nm；由于薄膜阵列上下两个圆台的尺寸不相同，会使沉积在圆台底部的金属银与圆台内壁间具有一定的间隙，从而得到纳米火山-圆盘复合阵列薄膜；阵列的周期为0.5～3μm，纳米火山的高度为200～600nm，火山结构上表面的直径为200～600nm，火山结构下表面的直径为300～700nm，圆盘的高度为20～100nm，圆盘的直径为200～600nm，圆盘与火山内壁的间隙为20～50nm；从而制备得到纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器。

将上述纳米火山-圆盘复合阵列薄膜放入20～60μg/mL人免疫球蛋白的磷酸缓冲溶液(PBS，pH＝7.4)中浸泡1～3小时，取出后用PBS冲洗；然后将样品放入100～300μg/mL牛血清蛋白的PBS溶液中浸泡20～50分钟，取出后用PBS溶液冲洗干净；最后将样品浸泡到10μg/mL的抗人免疫球蛋白的PBS溶液中20～50分钟，通过检测上述各步骤的透射光谱，从而实现对抗人免疫球蛋白的免疫识别。

其中，步骤(1)中基底为平整的玻璃片或石英片。

具体的，步骤(2)中的聚苯乙烯微球直径的尺寸在0.5～3μm。

本发明操作步骤简便，过程低耗清洁，可控性高。按实施例6和例8中的蒸镀条件可以得到纳米间隙(圆盘边缘与火山内壁之间的间隙)为20nm的纳米火山-圆盘复合结构阵列，按实施例10中的蒸镀条件可以获得纳米间隙为50nm的纳米火山-圆盘复合结构阵列。纳米间隙为20nm的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的电场增强程度最强，可以最大限度的提高传感灵敏度。进而我们利用第二次蒸镀的银可以覆盖火山结构外壁接连物质的特点，可以做到只在火山内部接连需要检测的物质，然后通过透射光谱的变化检测接连的物质，从而达到限域检测的目的。限域检测可以极大的减小信号背景，充分利用电场增强和节省昂贵的检测材料。利用该方法制备的纳米火山-圆盘复合结构阵列的薄膜可以应用在传感器中，具有高的灵敏度和限域检测的性质，可以更好地运用到实际应用中。

附图说明

图1为制备纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的流程图；中间的示意图为纳米火山-圆盘复合结构的截面图，从图中表现出此种结构具有火山结构和圆盘结构。步骤A为各向异性的等离子体刻蚀，步骤B为垂直沉积金属银和除去光刻胶，步骤C为再次垂直沉积金属银。按照实施例5,6,8中的刻蚀和蒸镀条件，制备的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的结构参数为上孔直径为d＝220nm，下孔直径为D＝340nm，高度为H＝250nm，圆盘高度为h＝100nm，圆盘直径为L＝240nm，纳米间隙距离为s＝20nm。玻璃基底1、光刻胶薄膜2、聚苯乙烯微球3、火山型金属银纳米阵列4，纳米火山-圆盘复合阵列5。

图2为纳米火山-圆盘复合阵列的扫描电子显微镜(SEM)照片。以实施例5中的刻蚀工艺进行等离子体刻蚀，得到了此种形状的纳米火山-圆盘复合阵列。图2(A)是倾斜45度拍摄的SEM照片。图2(B)是俯视拍摄的SEM照片。图2(C)是纳米火山阵列脱离基底，只留下圆盘结构的SEM照片。图2(D)是纳米火山-圆盘复合阵列的背面的SEM照片。图中箭头指示的是圆盘结构。

图3为纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的限域检测过程。图3(A)为按实施例8中的步骤在纳米火山型阵列接枝上巯基十六烷酸。图3(B)为再次垂直沉积银之后，形成纳米火山-圆盘复合阵列薄膜，并在火山内壁接枝人免疫球蛋白，如实施例8所示。火山外壁上的巯基十六烷酸由于被银覆盖无法连接人免疫球蛋白。图3(C)为按实施例9步骤浸泡到抗人免疫球蛋白溶液中进行检测，抗人免疫球蛋白只能进入到火山内部被检测到，达到限域检测的目的。图3(D)为纳米火山-圆盘复合阵列薄膜浸泡到不同物质溶液之后的透射光谱。在人免疫球蛋白PBS溶液中浸泡后，透射峰发生了红移，再在抗兔免疫球蛋白溶液中浸泡之后，透射峰的位置没有变化，说明抗兔免疫球蛋白没有接枝到纳米火山-圆盘结构上，而在抗人免疫球蛋白溶液中浸泡后，透射峰又发生了红移，说明了抗人免疫球蛋白接枝到了纳米火山-圆盘结构之上。此结果证明在接枝人免疫球蛋白之后只可以特异性的检测抗人免疫球蛋白，并不能接连上别的物质，证明了此检测的特异性。

具体实施方式

下列实施例仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的技术方案作任何形式上的限制。

实施例1：亲水玻璃片基底的制备

所用基底为玻璃片，用玻璃刀裁至2.5cm长、3.5cm宽大小，放入浓硫酸与过氧化氢的混合溶液(体积比为7:3)中水浴加热至80℃，保持5小时，即得到亲水玻璃片基底；将混合溶液倒入废液瓶中，得到的亲水玻璃片基底用去离子水反复洗涤3～5次，并用氮气吹干。

实施例2：光刻胶薄膜的制备

将光刻胶(BP212-37，正向光刻胶，购于北京科华微电子材料有限公司)原液用1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯(MPA)稀释成质量分数为30wt％的稀释液，利用台式匀胶机在亲水玻璃片基底上以3000rpm的转速旋涂30秒，然后将其放置在100℃的烘箱中0.5小时，取出放置到室温，在基底上得到200nm厚的光刻胶薄膜。

实施例3：疏水聚苯乙烯微球的制备

在常温下，在1mL、5wt％、直径为700nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去离子水，用6000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，在遗留下的固态物中再加入3mL去离子水并再次进行离心；此后重复此过程7次。在最后一次吸取上层清液之后，在固态物中加入1mL的乙醇和1mL去离子水，用6000rpm转速离心5分钟，吸取上层清液，然后在遗留的固态物中再加入相同的乙醇和去离子水的混合液并用相同的方法离心；此后重复此离心过程16次，在最后一次吸取上层清液后，在固态物中最后加入1mL乙醇和1mL去离子水，得到疏水的10wt％聚苯乙烯微球乙醇和去离子水的分散液。

实施例4：六方紧密堆积的单层聚苯乙烯胶体晶体的制备

用一次性注射器吸取0.2mL实施例3制备的直径为700nm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇去离子水分散液，缓慢滴到培养皿的空气-去离子水的界面上，静置片刻，沿着培养皿一侧加入50μL浓度为10wt％的十二烷基硫酸钠的水溶液，聚苯乙烯微球会随之形成六方紧密堆积的单层。以旋涂有光刻胶的玻璃片为基底，伸入到水面以下，从紧密的单层微球下方缓慢向上提起，置于斜面自然干燥，从而在玻璃片上得到单层紧密堆积的聚苯乙烯胶体晶体。

实施例5：光刻胶的纳米火山型阵列的制备

将上述制备的样品放置在各向异性等离子体刻蚀机中，在刻蚀气压为10mTorr，刻蚀温度20℃，氧气流速50sccm，刻蚀功率为200W的条件下，刻蚀270秒。在这个过程中，微球与其下部的光刻胶同时被刻蚀，微球逐渐变小，光刻胶薄膜被刻蚀成纳米火山型的阵列。

实施例6：金属银的蒸镀方法

将实施例5制得的样品置于真空蒸发镀膜设备的样品台上，样品法线与沉积方向的夹角(即入射角)为0°，在5×10^-4Pa的真空度下进行热蒸发沉积银，沉积速度为沉积厚度为50nm；

实施例7：纳米火山型阵列薄膜的制备

将上述制得的样品放入甲苯溶液中在超声功率为50W的条件下超声10秒。取出后用氮气吹干。然后放入无水乙醇中浸泡3小时，取出洗净，得到纳米火山型阵列薄膜。

实施例8：纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的制备

将制得的纳米火山型阵列放入4mM巯基十六烷酸中12小时，然后将样品放在5×10^-4的真空度下再次垂直热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积厚度为100nm。得到火山内壁和圆盘之间间隙为20nm的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜。

实施例9：限域检测的方法

将此样品放入50μg/mL人免疫球蛋白的磷酸缓冲溶液(PBS，pH＝7.4)中浸泡2小时。取出后用PBS冲洗。然后将样品放入200μg/mL牛血清蛋白的PBS溶液中浸泡30分钟。取出后用PBS溶液冲洗干净。最后将样品浸泡到10μg/mL的抗人免疫球蛋白的PBS溶液中30分钟进行免疫识别。通过检测上述各步骤的透射光谱，从而实现对抗人免疫球蛋白的免疫识别。

由于制备的银纳米火山-圆盘结构具有表面等离子体共振的特性，当此结构所处的环境折射率变化时会引起透射峰的移动。在此检测中，先在表面接连上人免疫球蛋白，可以特异性的连接抗人免疫球蛋白，所以溶液中如果存在抗人免疫球蛋白，便可以接连到结构表面，引起折射率的变化，引起透射峰的移动，便可以检测到抗人免疫球蛋白。如果溶液中不存在抗人免疫球蛋白，则表面不能接枝别的物质，折射率不发生变化，则透射峰不会移动。而且此检测过程只发生在火山状结构的内部，达到限域检测的目的，可以极大的减小背景噪音，充分利用电场增强效果和节省试剂。

实施例10：纳米间隙为50nm的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜的制备

如实施例6中的步骤在第一次蒸镀的时候蒸镀130nm Ag，如实施例8过程中的再次蒸镀时蒸镀20nm Ag便可以制备纳米间隙为50nm的纳米火山-圆盘复合阵列薄膜。

Claims (5)

1.一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器的制备方法，其步骤如下：

1)以1000～3000rpm的转速将40～50wt％的正向光刻胶溶液旋涂到亲水基底上，然后在80～120℃条件下固化0.5～1小时，从而在亲水基底上得到200～600nm厚的光刻胶薄膜；

2)向1～5mL浓度为1～20wt％的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，在4000～10000rpm转速下离心3～5分钟，重复加入去离子水和离心过程4～7次；在最后离心得到的固态物中加入1～5mL体积比为1：1～3的乙醇和去离子水的混合液，在4000～10000rpm转速下离心5～10分钟，重复加入乙醇和去离子水及离心过程4～20次，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去离子水分散液；

3)用注射器吸取0.1～0.5mL上述制得的分散液，滴加到盛有去离子水的容器中，然后再加入50～200μL、浓度为1～10wt％的十二烷基磺酸钠表面活性剂，从而在基底上得到聚苯乙烯微球阵列；

4)将上述聚苯乙烯微球阵列在气压为5～10mTorr、温度为10～20℃、氧气流速为10～50sccm、功率为100～200W的条件下沿基底法线方向刻蚀100～500秒；刻蚀之后得到圆台状的光刻胶阵列和在其上尺寸减小的聚苯乙烯微球；然后在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下沿基底法线方向热蒸发沉积金属银，沉积速度为从而在圆台状光刻胶阵列和尺寸减小的聚苯乙烯微球上得到厚度为50～100nm的金属银；

5)将上述样品放置在甲苯溶液中超声10～60秒，去除聚苯乙烯微球，后用氮气吹干；再放入到无水乙醇中浸泡2～3小时，使光刻胶溶解到乙醇中，达到除去光刻胶的目的，进而得到内部中空的、圆台状的纳米火山型金属银阵列薄膜；

6)将上述纳米火山型金属银阵列薄膜放入2～6mM巯基十六烷酸中10～14小时，然后将样品在5×10^-4～1×10^-3Pa的真空度下再次沿基底法线方向热蒸发沉积金属银，沉积速度为沉积厚度为20～100nm；由于薄膜阵列上下两个圆台的尺寸不相同，会使沉积在圆台底部的金属银与圆台内壁间具有一定的间隙，从而得到纳米火山-圆盘复合阵列薄膜；阵列的周期为0.5～3μm，纳米火山的高度为200～600nm，火山结构上表面的直径为200～600nm，火山结构下表面的直径为300～700nm，圆盘的高度为20～100nm，圆盘的直径为200～600nm，圆盘与火山内壁的间隙为20～50nm；从而制备得到纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器。

2.如权利要求1所述的一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于：步骤(1)中所述的亲水基底为平整的玻璃片或石英片。

3.如权利要求1所述的一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器的制备方法，其特征在于：步骤(2)中所述的聚苯乙烯微球直径的尺寸在0.5～3μm。

4.一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器，其特征在于：由权利要求1-3任何一项所述的方法制备得到。

5.权利要求4所述的一种纳米火山-圆盘复合阵列薄膜结构的限域型表面等离子体共振传感器在对抗人免疫球蛋白免疫识别方面的应用。