CN104437690B - 一种用于生化分析的微孔板、金属镍模具及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于生化分析的微孔板以及金属镍模具及其制备方法。所述微孔板的材料为柔性材料，所述微孔板上具有若干个微孔，每一个所述微孔内的底面均具有若干个纳米孔，在所述纳米孔的底面以及与所述纳米孔的底面平行的各个面上还设有金属反射膜，所述微孔的直径为0.8～3mm，所述纳米孔的直径为50～300nm。相应的，所述金属镍模具一个表面上具有若干个微细柱状突起，每一个所述微细柱状突起的顶面上均具有若干个纳米柱状突起，所述微细柱状突起的直径为0.8～3mm，所述纳米柱状突起的直径为50～300nm。本发明可使微孔的容积可以缩小为传统孔板的1/10～1/20，极大节约生化试剂用量，同时本发明可大幅提高微孔板的检测精度，进一步减小检测试剂用量。

Description

一种用于生化分析的微孔板、金属镍模具及其制备方法

技术领域

本发明涉及微孔板及微型模具的制作方法，尤其涉及一种用于生化分析的微孔板、金属镍模具及其制备方法。

背景技术

微孔板检测技术是将生化样品均匀分配到孔板中，进行培养与检测的一项技术。现代生物、制药行业中普遍使用微孔板作为检测的标准工具，现在使用较多的是96孔或者384孔的独立微孔板，但是这类孔板由于体积较大，存放占用空间大，影响诸如PCR、ELISA等技术的检测效率。同时，传统孔板微孔容积大，检测消耗试剂量大，增加了检测成本。

新型表面等离子增强(SPR)检测可以大幅提高生化检测的精度，减小检测试剂用量。但目前SPR多为反射式检测，无法与微孔板检测结合。如文献：崔大付等，表面等离体谐振(SPR)生化分析仪的研制，现代科学仪器,2001，6：34；符运良等，SPR生化分析仪及其在样品检测中的应用，2013，1：30所介绍。透射式SPR检测也有少量研究，如文献：AlexandreG.Brolo,SurfacePlasmonSensorBasedontheEnhancedLightTransmissionthroughArraysofNanoholesinGoldFilms，Langmuir，2004，20，4813-4815。但尚未有将SPR检测用于微孔板检测的报道。

发明内容

本发明的主要目的在于，针对刚性孔板在微孔板检测技术中体积大、效率低、试剂消耗量大以及无法与SPR检测结合的缺点，提出一种用于生化分析的微孔板以及用于制备该微孔板的金属镍模具及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种用于生化分析的微孔板，所述微孔板的材料为柔性材料，所述微孔板上具有若干个微孔，每一个所述微孔内的底面均具有若干个纳米孔，在所述纳米孔的底面以及与所述纳米孔的底面平行的各个面上还设有金属反射膜，所述微孔的直径为0.8～3mm，所述纳米孔的直径为50～300nm。

在每一个微孔内均包含若干个纳米孔，微孔底部的纳米孔可模拟生物样品所需的三维环境，同时，在微孔内增加的纳米孔可使微孔板适用于SPR检测，从而提高检测精度，减小试剂用量；同时，用柔性材料制成微孔板，微孔的容积可以缩小为传统孔板的1/10～1/20，可极大节约生化试剂用量，利用卷对卷(Roll-to-Roll)工艺可极大提高聚合酶链式反应(PCR)、酶联免疫吸附试验(ELISA)等技术的检测效率，实现超高通量的生化检测。

优选地，每一个所述微孔内的底面具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米孔。

优选地，所述微孔的深度为0.1～1mm。进一步的，微孔的直径优选1～2mm，深度优选0.5～0.8mm。

优选地，所述纳米孔的深度为50～300nm。深度进一步优选为80～120nm。

优选地，所述纳米孔的直径为80～120nm。

优选地，所述金属反射膜的厚度为50～100nm。

优选地，在所述金属反射膜上以及在所述微孔和纳米孔的侧壁上还设有二氧化硅膜；所述二氧化硅膜的厚度为10～100nm。二氧化硅膜的厚度进一步可优选为10～50nm，更进一步的，可以优选为10～30nm。

沉积的二氧化硅膜可以增加微孔板和被检测样品(如细胞、蛋白质等)的亲和性，使被检测样品在微孔板上更容易保持活性。

一种用于制备上述微孔板的金属镍模具，所述金属镍模具包括模具本体，在所述模具本体的一个表面上具有若干个微细柱状突起，每一个所述微细柱状突起的顶面上均具有若干个纳米柱状突起，所述微细柱状突起的直径为0.8～3mm，所述纳米柱状突起的直径为50～300nm。

优选地，每一个微细柱状突起的顶面上均具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米柱状突起。

优选地，所述微细柱状突起的高度为0.1～1mm。进一步的，微孔的直径优选1～2mm，高度优选0.5～0.8mm。

优选地，所述纳米柱状突起的高度为50～300nm。高度进一步优选为80～120nm。

优选地，所述纳米柱状突起的直径为80～120nm。

一种上述的金属镍模具的制备方法，包括如下步骤：

(1)在一基底上形成一金属种子层，并在所述金属种子层上涂覆一层电子束光刻胶层；

(2)对所述电子束光刻胶层进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔，所述纳米孔的直径为50～300nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是50～300nm；

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度0.1～1mm的光刻胶；

(4)对所述厚度0.1～1mm的光刻胶进行曝光显影形成若干个微孔，每个所述微孔内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔的直径为0.8～3mm；

(5)在所述微孔上通过金属掩模版沉积另一金属种子层；

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电源脉宽为100～600μs，周期为200～2000μs，平均电流密度为0.2～1A/dm²。

以上技术方案中，在电铸工艺中，采用以上的工艺参数以及两次金属种子层沉积，可以得到完整的纳米孔填充从而能形成纳米柱状突起。

附图说明

图1是本发明实施例1中的微孔板的结构示意图；

图2是本发明实施例2中的金属镍模具的截面示意图；

图3是本发明实施例2中的金属镍模具以及微孔板的制备方法的流程示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式并对照附图对本发明作进一步详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

本发明提供一种用于生化分析的微孔板，在一具体实施方式中，所述微孔板的材料为柔性材料，所述微孔板上具有若干个微孔，每一个所述微孔内的底面均具有若干个纳米孔，在所述纳米孔的底面以及与所述纳米孔的底面平行的各个面上还设有金属反射膜，所述微孔的直径为0.8～3mm，所述纳米孔的直径为50～300nm。

在一些优选实施方式中，还可以优选以下方案中的至少一种方案：

每一个所述微孔内的底面具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米孔。

所述微孔的深度为0.1～1mm；进一步可以优选为0.5～0.8mm。

所述微孔的直径为1～2mm。

所述纳米孔的深度为50～300nm。并进一步可优选为80～120nm。

所述纳米孔的直径为80～120nm。

柔性材料为热塑性材料，如PMMA、PET等。

金属反射膜采用反射金膜。

所述金属反射膜的厚度为50～100nm。

在所述金属反射膜上以及在所述微孔和纳米孔的侧壁上还设有二氧化硅膜。进一步的，所述二氧化硅薄膜厚度为10～100nm。进一步的，二氧化硅的厚度为10～50nm，更进一步的，可以优选为10～30nm。

本发明还提供一种用于制备上述微孔板的金属镍模具，在一种实施方式中，所述金属镍模具包括模具本体，在所述模具本体的一个表面上具有若干个微细柱状突起，每一个所述微细柱状突起的顶面上均具有若干个纳米柱状突起，所述微细柱状突起的直径为0.8～3mm，所述纳米柱状突起的直径为50～300nm。

在一些优选实施方式中，还可以优选以下方案中的至少一种方案：

每一个微细柱状突起的顶面上均具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米柱状突起。

所述微细柱状突起的高度为0.1～1mm，进一步的高度可优选为0.5～0.8mm。

所述微细柱状突起的直径为1～2mm。

所述纳米柱状突起的高度为50～300nm。进一步的高度可优选为80～120nm。

所述纳米柱状突起的直径为80～120nm。

本发明还提供了一种上述的金属镍模具的制备方法，在一种实施方式中，包括如下步骤：

(1)在一基底上形成一金属种子层，并在所述金属种子层上涂覆一层电子束光刻胶层；

(2)对所述电子束光刻胶层进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔，所述纳米孔的直径为50～300nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是50～300nm；

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度0.1～1mm的光刻胶；

(4)对所述厚度0.1～1mm的光刻胶进行曝光显影形成若干个微孔，每个所述微孔内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔的直径为0.8～3mm；

(5)在所述微孔上通过金属掩模版沉积另一金属种子层；

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电铸工艺使用的脉冲电源脉宽为100～600μs，周期为200～2000μs，平均电流密度为0.2～1A/dm²。

其中，在步骤(5)中，金属掩模版的作用是避免微孔与纳米孔的侧壁沉积金属种子层。

在一些优选的实施方式中：

步骤(1)中的金属种子层可以为金、钛、镍等材料，厚度为50～100nm；步骤(5)中的金属种子层可以为金、钛、镍等材料，厚度为50～100nm，步骤(1)和(5)中的金属种子层的材料可以相等也可以不等，厚度可以相等，也可以不等。

步骤(1)中的所述电子束光刻胶的厚度为100～200nm，可以为PMMA等材料。

步骤(6)的电铸工艺中，沉积微孔使用的脉冲电源脉宽可以为0.5～1ms，周期可以为1～10ms，平均电流密度可以为0.5～2A/dm²，沉积模具本体可以使用直流电源，平均电流密度为1～5A/dm²。

每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是100～200nm。

厚度0.1～1mm的光刻胶可以采用如SU-8、KMPR等光刻胶。

步骤(1)中的基底可以是玻璃或硅片。

以下通过更具体的实施例对本发明进行详细阐述。

实施例1

本例中微孔板是柔性的，可以为96孔，384孔，或者1536孔，孔板规格符合SBS标准孔板规格，微孔板卷成连续带式卷状，单卷可以包含100～300个标准孔板。

如图1所示，每个微孔板上具有96个微孔1，在每一个微孔1内的底面均具有若干个纳米孔2，所述微孔1的直径为2mm，深度为0.8mm，所述纳米孔2的直径为80nm，深度为120nm。在各个纳米孔2的底面以及与纳米孔2的底面平行的各面上设有厚度为60nm的反射金膜15。

以图1的方位为例，本发明各实施例中的与所述纳米孔的底面平行的各个面是指，位于纳米孔的底面的上方的各个与纳米孔的底面平行的面。

实施例2

本实施例中微孔板为柔性的，其上具有384个微孔，每一个微孔的孔径为1mm，深度为0.5mm，孔间距为4.5mm，在微孔内的底面布满纳米孔，每个纳米孔的直径为100nm，深度为100nm，每个微孔内的两相邻纳米孔的间距为100nm。在各个纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上设有厚度为50nm的反射金膜，且在反射金膜上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积有一层厚度为10nm的二氧化硅薄膜。

相应地，如图2所示，制备上述微孔板的金属镍模具11包括模具本体111、在模具本体111的一个表面上具有384个微细柱状突起112，每一个微细柱状突起的顶面上均具有布满纳米柱状突起113，微细柱状突起112的直径、高度和间距与上述微孔板中的微孔相同，纳米柱状突起113的直径、高度和间距与上述微孔板中的纳米孔相同。

如图3所示，通过UV-LIGA工艺制备该金属镍模具以及微孔板，包括如下步骤：

(1)在一硅片3上采用溅射工艺形成一100nm厚的镍种子层4，并在镍种子层4上涂覆一层厚度为100nm的电子束光刻胶层5，电子束光刻胶层5的材料为PMMA，厚度为100nm。

(2)采用电子束曝光工艺对所述电子束光刻胶层5进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔6，所述纳米孔6的直径为100nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是100nm，深度为100nm。

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度为0.5mm的SU-8胶7。

(4)采用厚胶光刻工艺对SU-8胶7进行曝光显影形成若干个微孔8，每个所述微孔8内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔8的直径为1mm，深度为0.5mm，相邻两个微孔的间距为4.5mm。

(5)采用溅射或蒸发工艺在所述微孔上通过金属掩模版9沉积另一金属种子层10，本例中采用溅射工艺沉积100nm厚的镍种子层。

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具11，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电铸工艺使用的脉冲电源脉宽为200μs，周期为400μs，平均电流密度为0.3A/dm²。电铸充电微孔与生长模具本体111采用常规的电铸工艺，本例中沉积微孔使用的脉冲电源脉宽为0.5ms，周期为10ms，平均电流密度可以为2A/dm²，沉积模具本体使用直流电源，平均电流密度为5A/dm²。

(7)通过真空热模压技术，用以上步骤制得的金属镍模具11在柔性的PMMA材料的基底12上连续压印出具有纳米孔的微孔结构。

(8)通过电子束蒸发工艺在纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上沉积反射金膜13，厚度为50nm。

(9)通过原子层沉积(ALD)工艺，在反射金膜13上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积上一层二氧化硅薄膜14，厚度为10nm。

实施例3

本实施例微孔板上具有384个微孔，每一个微孔的孔径为2mm，深度为0.8mm，孔间距为4.5mm，在微孔内布满纳米孔，每个纳米孔的直径为150nm，深度为150nm，每个微孔内的两相邻纳米孔的间距为100nm。在各个纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上设有厚度为80nm的反射金膜，且在反射金膜上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积有一层厚度为15nm的二氧化硅薄膜。

相应地，制备上述微孔板的金属镍模具包括模具本体，在模具本体的一个表面上具有384个微细柱状突起，每一个微细柱状突起的顶面上均具有布满纳米柱状突起，微细柱状突起的直径、高度和间距与上述微孔板中的微孔相同，纳米柱状突起的直径、高度和间距与上述微孔板中的纳米孔相同。

通过UV-LIGA与真空热模压结合的工艺制备该金属镍模具以及微孔板，包括如下步骤：

(1)在一硅片上采用电沉积工艺形成一50nm厚的金种子层，并在所述金种子层上涂覆一层厚度为150nm的电子束光刻胶层，电子束光刻胶层5的材料为PMMA。

(2)采用电子束曝光工艺对所述电子束光刻胶层进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔，所述纳米孔的直径为150nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是100nm，深度为150nm。

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度为0.8mm的SU-8胶。

(4)采用厚胶光刻工艺对SU-8胶进行曝光显影形成若干个微孔，每个所述微孔内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔的直径为2mm，深度为0.8mm，相邻两个微孔的间距为4.5mm。

(5)采用溅射工艺在所述微孔上通过金属掩模版沉积100nm厚的金种子层。

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电铸工艺使用的脉冲电源脉宽为100μs，周期为2000μs，平均电流密度为1A/dm²。电铸充电微孔与生长模具本体采用常规的电铸工艺，本例中沉积微孔使用的脉冲电源脉宽为1ms，周期为1ms，平均电流密度可以为0.5A/dm²，沉积模具本体使用直流电源，平均电流密度为1A/dm²。

(7)通过真空热模压技术，用以上步骤制得的金属镍模具在柔性的PET材料的基底上连续压印出具有纳米孔的微孔结构。

(8)通过电子束蒸发工艺在纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上沉积反射金膜，厚度为80nm。

(9)通过原子层沉积(ALD)工艺，在反射金膜上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积上一层二氧化硅薄膜，厚度为15nm。

实施例4

本实施例微孔板上具有384个微孔，每一个微孔的孔径为3mm，深度为1mm，孔间距为4.5mm，在微孔内布满纳米孔，每个纳米孔的直径为200nm，深度为200nm，每个微孔内的两相邻纳米孔的间距为150nm。在各个纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上设有厚度为100nm的反射金膜，且在反射金膜上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积有一层厚度为20nm的二氧化硅薄膜。

相应地，制备上述微孔板的金属镍模具包括模具本体，在模具本体的一个表面上具有384个微细柱状突起，每一个微细柱状突起的顶面上均具有布满纳米柱状突起，微细柱状突起的直径、高度和间距与上述微孔板中的微孔相同，纳米柱状突起的直径、高度和间距与上述微孔板中的纳米孔相同。

通过UV-LIGA工艺制备该金属镍模具以及微孔板，包括如下步骤：

(1)在一硅片上采用溅射工艺形成一厚度为80nm的钛种子层，并在所述钛种子层上涂覆一层厚度为200nm的电子束光刻胶层，电子束光刻胶层5的材料为PMMA。

(2)采用电子束曝光工艺对所述电子束光刻胶层进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔，所述纳米孔的直径为200nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是150nm，深度为200nm。

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度为1mm的SU-8胶。

(4)采用厚胶光刻工艺对SU-8胶进行曝光显影形成若干个微孔，每个所述微孔内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔的直径为3mm，深度为1mm，相邻两个微孔的间距为4.5mm。

(5)采用溅射工艺在所述微孔上通过金属掩模版沉积100nm的钛种子层。

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电铸工艺使用的脉冲电源脉宽为600μs，周期为200μs，平均电流密度为0.6A/dm²。电铸充电微孔与生长模具本体采用常规的电铸工艺，本例中，沉积微孔使用的脉冲电源脉宽为0.8ms，周期为5ms，平均电流密度为1.3A/dm²，沉积模具本体使用直流电源，平均电流密度为3A/dm²。

(7)通过真空热模压技术，用以上步骤制得的金属镍模具在柔性的PET聚材料的基底上连续压印出具有纳米孔的微孔结构。

(8)通过电子束蒸发工艺在纳米孔的底面以及与纳米孔的底面平行的各面上沉积反射金膜，厚度为100nm。

(9)通过原子层沉积(ALD)工艺，在反射金膜上以及在微孔和纳米孔的侧壁上沉积上一层二氧化硅薄膜，厚度为20nm。

以上各个实施例制备得到的柔性的微孔板，其微孔的容积可以缩小为传统孔板的1/10～1/20，极大节约生化试剂用量，同时纳米孔与微孔结合使得该微孔板可以与SPR检测结合使用，可大幅提高微孔板的检测精度，进一步减小检测试剂用量。

以上内容是结合具体的/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施例做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种用于生化分析的微孔板，其特征在于：所述微孔板的材料为柔性材料，所述微孔板上具有若干个微孔，每一个所述微孔内的底面均具有若干个纳米孔，所述纳米孔可模拟生物样品所需的三维环境，在所述纳米孔的底面以及与所述纳米孔的底面平行的各个面上还设有金属反射膜，所述微孔的直径为0.8～3mm，所述纳米孔的直径为50～300nm。

2.如权利要求1所述的微孔板，其特征在于：每一个所述微孔内的底面具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米孔。

3.如权利要求1或2所述的微孔板，其特征在于：所述微孔的深度为0.1～1mm；和/或所述纳米孔的深度为50～300nm。

4.如权利要求1或2所述的微孔板，其特征在于：所述纳米孔的直径为80～120nm。

5.如权利要求1或2所述的微孔板，其特征在于：所述金属反射膜的厚度为50～100nm。

6.如权利要求1或2所述的微孔板，其特征在于：在所述金属反射膜上以及在所述微孔和纳米孔的侧壁上还设有二氧化硅膜；所述二氧化硅膜的厚度为10～100nm。

7.一种用于制备权利要求1～6任意一项所述的微孔板的金属镍模具，其特征在于：所述金属镍模具包括模具本体，在所述模具本体的一个表面上具有若干个微细柱状突起，每一个所述微细柱状突起的顶面上均具有若干个纳米柱状突起，所述微细柱状突起的直径为0.8～3mm，所述纳米柱状突起的直径为50～300nm。

8.如权利要求7所述的金属镍模具，其特征在于：每一个微细柱状突起的顶面上均具有3×10⁶～8×10⁸个所述纳米柱状突起。

9.如权利要求7或8所述的金属镍模具，其特征在于：所述微细柱状突起的高度为0.1～1mm，和/或所述纳米柱状突起的高度为50～300nm。

10.一种权利要求7～9任意一项所述的金属镍模具的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)在一基底上形成一金属种子层，并在所述金属种子层上涂覆一层电子束光刻胶层；

(2)对所述电子束光刻胶层进行电子束曝光并显影，得到若干个纳米孔阵列，每个所述纳米孔阵列中包括若干个纳米孔，所述纳米孔的直径为50～300nm，每一个所述纳米孔阵列内的相邻两个纳米孔之间的间距是50～300nm；

(3)在经过步骤(2)处理后的所述电子束光刻胶层上涂覆厚度0.1～1mm的光刻胶；

(4)对所述厚度0.1～1mm的光刻胶进行曝光显影形成若干个微孔，每个所述微孔内均对应若干个所述纳米孔，所述微孔的直径为0.8～3mm；

(5)在所述微孔上通过金属掩模版沉积另一金属种子层；

(6)通过电铸工艺得到所述金属镍模具，在所述电铸工艺中，电铸充填所述纳米孔使用的脉冲电源脉宽为100～600μs，周期为200～2000μs，平均电流密度为0.2～1A/dm²。