CN104634763B - 一种spr传感芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SPR传感芯片及其制备方法，SPR传感芯片包括平面玻璃基板，平面玻璃基板上覆盖有厚度大于150nm的第一金属膜，第一金属膜的顶面设有微孔阵列，每一微孔底部均覆盖第二金属膜，第二金属膜的顶面设有周期排列的若干纳米金属线。第二金属膜上产生的SPR既耦合到纳米金属线中产生LSPR，引起局域电磁场增强；又在微孔底部产生SPW，SPW在水平传播过程中受到微孔内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强，双重增强可使灵敏度提高15～30倍；同时，微孔将SPW限制在一定区域，避免了信号的交叉干扰，有利于降低噪声，提高了SPR传感的信噪比。

Description

一种SPR传感芯片及其制备方法

技术领域

本发明属于光学生物传感领域，具体涉及一种SPR传感芯片及其制备方法。

背景技术

表面等离子共振(SPR)是一种物理光学现象。在两种不同折射率(refractiveindex)的透明介质交界面上(如玻璃和水)，当一束光线从高折射率介质入射到低折射率介质，光线将发生折射和反射。当入射角增大到某一特定值时，折射角等于90°，此时光沿着与界面相切的方向射出，此时的入射角称为临界角。如果入射角超过临界角，则入射光线将不会进入另一介质，而全部被反射回入射介质中，发生全内反射。

实际上，尽管全部入射光被反射，一种叫渐逝波(evanescent wave)的电磁场会穿过界面渗透到低折射率介质中，能量呈指数衰减。若在界面处镀上一层金属薄膜(一般镀金膜或银膜)，则金属薄膜表面的自由电子受入射光激发而产生电荷振荡，进而形成表面等离子体(SP)。调整光的入射角或波长到某一适当值时，SP与渐逝波的频率和波数相等，二者便发生能量耦合，形成表面等离子共振。共振时界面处的全反射条件将被破坏，入射光能量被转移到表面等离子体波(Surface plasmon Wave，SPW)中，从而导致反射光强度在传播中急剧下降，呈现衰减全反射(attenuated total reflection，ATR)现象。其中使反射光完全消失的入射光角度称为共振角(SPR angle)。共振角会随着金属薄膜表面的介质折射率的改变而改变，而折射率的变化与结合在金属表面的分子的质量成正比。因此通过分析共振角，就可以得到分子间相互作用的信息。

SPR传感技术具有无需标记、对表面特性和物质变化敏感，实时、快速和易于实现自动化等特点。该技术已被广泛应用于生命科学，临床诊断，药物筛选，食品安全，环境监测等领域，检测对象包括蛋白、核酸、激素、毒素、农药、细胞、微生物等。

随着社会上对于大规模快速检测技术的需求的增长，高通量的SPR传感技术已成为SPR技术的一个主要发展方向。其中SPR成像传感技术(也可称为SPRi)是研究最广、最具有代表性的一类。其基本工作过程为：光源发出的平行光入射到具有传感点阵列的SPR芯片表面，传感点阵列通过光学系统成像于图像传感器靶面，同时芯片表面反射的光也被图像传感器接收。

SPR传感芯片是SPR成像传感器的核心组件，其主要包括平面玻璃基板、金属膜和表面基质三部分。SPR传感芯片提供了产生SPR信号的必需物理条件，并且分子相互作用的研究也是在SPR传感芯片表面进行的。

根据检测的光信号不同，SPR成像传感器通常可分为光强调制型和相位调制型。相比于相位调制所需要的复杂系统，光强调制型SPR成像传感器结构简单，使用方便，动态范围大，得到了比较广泛的应用；但目前存在的问题是其分辨率在10^-5～10^-6RIU之间，灵敏度普遍低于通道型SPR传感器以及相位调制型SPR成像传感器。主要原因是其SPR传感芯片普遍采用平板金属膜，即在平面玻璃基板上直接镀上一层金属膜，其传感灵敏度较低。如何提高光强调制型SPR成像传感器的灵敏度成为了当前的研究热点。

发明内容

本发明提供了一种SPR传感芯片，该SPR传感芯片性能稳定、重复性好、灵敏度高，易于实现高通量检测。

一种SPR传感芯片，包括平面玻璃基板，所述平面玻璃基板上覆盖有厚度大于150nm的第一金属膜，所述第一金属膜的顶面设有微孔阵列，每一微孔的底部均覆盖有第二金属膜，所述第二金属膜的顶面设有周期排列的若干纳米金属线。

如未作特殊说明，本发明中“周期排列”均是指相邻的纳米金属线以一定的间隔平行排列；每根纳米金属线的两端均抵接微孔的内壁。

本发明利用第一金属膜在SPR传感芯片上形成微孔阵列，当入射光从平面玻璃基板的底部照射到平面玻璃基板与金属膜(包括第一金属膜和第二金属膜)的界面时，在金属膜上产生SPR现象。其中在第二金属膜上产生的SPR，一方面耦合到周期排列的纳米金属线中产生局域表面等离子体共振(LSPR)，LSPR具有较强的局域电磁场增强效应，能够有效提高SPR传感的灵敏度；另一方面在微孔底部产生表面等离子体波(SPW)，SPW在水平传播过程中会受到微孔内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强，电磁场增强可进一步提高SPR传感的灵敏度。

其中，LSPR主要集中在纳米金属线表面两个尖锐的边缘，从而在每一纳米金属线的两侧均引起局域电磁场增强；而驻波引起的局域电磁场增强主要集中在微孔的边缘，从而整个微孔内的电磁场均得到增强。

同时，由于第一金属膜的厚度大于150nm，因此在第一金属膜上因SPR产生的电磁场无法穿透第一金属膜，同时微孔内的SPW又被第一金属膜包围而成的微孔所束缚，从而无法到达相邻的微孔，避免了信号的交叉干扰，有利于降低噪声，提高了SPR传感的信噪比，便于实现高通量的SPR传感。

作为优选，每个微孔的规格为：100～500μm(长)*100～500μm(宽)*150～300nm(高，即第一金属膜的厚度)。

作为优选，所述第二金属膜的厚度为30～50nm。以便能在第二金属膜的表面产生SPR现象。

作为优选，每个微孔内至少设有30根纳米金属线。纳米金属线的根数越多，则周期排列的纳米金属线能更有效地产生局域表面等离子体共振(LSPR)。

作为优选，两纳米金属线之间间隔的宽度与纳米金属线的线宽比为1:0.5～2；更优选为1:1。间隔宽度与线宽的适宜比例有利于产生较强的LSPR，申请人经过试验发现，与其他比例相比，当纳米金属线与纳米金属线之间间隔的宽度比为1:1时，周期排列的纳米金属线产生的LSPR最强。

作为进一步优选，间隔宽度与纳米金属线的线宽均为100nm(则周期为200nm)，所述纳米金属线的厚度为10～20nm。

作为优选，所述第一金属膜的厚度为150～300nm。既能保证SPR无法穿透第一金属膜，也避免第一金属膜过厚造成资源浪费。为保证良好的透光性，作为优选，所述平面玻璃基板的厚度不超过0.5mm。

本发明还提供了所述SPR传感芯片的制备方法，依次包括以下步骤：

(1)在洗净的平面玻璃基板上依次镀上铬层和第一金属膜；

(2)在第一金属膜的顶面预留用于开设微孔的位置，其余部位覆盖保护膜；

(3)在第一金属膜的预留位置处开设微孔，然后除去保护膜；

(4)在微孔底部镀第二金属膜，并在第二金属膜的顶面依次刻蚀或沉积出每根纳米金属线。

在第二金属膜的表面修饰不同的生物敏感膜，使SPR传感芯片的每个微孔均具有检测特异性，从而可以同时检测多种样品，实现高通量高灵敏的生物传感。

本发明还提供了一种SPR传感器，包括棱镜，以及与棱镜相耦合的SPR传感芯片，所述SPR传感芯片即为本发明所述SPR传感芯片，所述棱镜与SPR传感芯片中平面玻璃基板的材质相同。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明的SPR传感芯片上设有微孔阵列，在每一微孔的底部覆盖第二金属膜，在第二金属膜上设置周期排列的纳米金属线，一方面对SPR传感芯片的灵敏度具有双重增强效果，该双重增强效果体现在：第二金属膜上产生的SPR一方面耦合到周期排列的纳米金属线中产生LSPR，LSPR主要集中在纳米金属线表面两个尖锐的边缘，从而在每一纳米金属线的两侧均引起局域电磁场增强；另一方面在微孔底部产生SPW，SPW在水平传播过程中会受到微孔内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强且主要集中在微孔的边缘；从而整个微孔内的电磁场均得到增强，可使SPR传感芯片的灵敏度提高15～30倍；同时，微孔通过反射或者吸收将SPW限制在一定区域，实现了对SPW的有效操控，避免了信号的交叉干扰，有利于降低噪声，提高了SPR传感的信噪比，便于实现高通量的SPR传感。

附图说明

图1为本发明SPR传感芯片的结构示意图；

图2为图1中A-A剖面图的局部放大示意图；

图3为本发明SPR传感芯片的制备流程图；

图4为本发明SPR成像传感器的结构示意图；

图5A为本发明SPR传感芯片中周期排列的纳米金线产生电磁场增强的示意图；

图5B为本发明SPR传感芯片中微孔结构产生电磁场增强的示意图；

图5C为现有SPR传感芯片产生的电磁场示意图；

其中，Z(μm)表示在Z轴上的坐标，X(μm)表示在X轴上的坐标，Ez∧2表示表示与SPR信号相关的竖直方向的电场强度。

具体实施方式

如图1、图2所示，本实施例一种SPR传感芯片100，包括平面玻璃基板1，平面玻璃基板1上依次覆盖有铬层2和第一金膜3，第一金膜3的顶面设有微孔阵列，每一微孔4的底部覆盖有第二属膜5，且第二金膜5的顶面设有周期排列的纳米金线6。

本实施例中，平面玻璃基板1采用K9光学玻璃制成，厚度为0.4mm，以保证良好的透光性；铬层2的厚度为2nm；第一金膜3的厚度为200nm，以保证SPR无法穿透；第二金膜5的厚度为40nm，以保证能在其表面(顶面)产生SPR现象。

若约定p光的振动面为纸面，则纳米金线6沿纸面呈周期排布(每根纳米金线6的宽度为100nm，两纳米金线6之间的间隔宽度为100nm，则周期为200nm；纳米金线6的厚度为10nm)，每条纳米金线6在S光的振动方向(垂直纸面)呈直线；本实施中，每一微孔4内设有周期排列的至少30根纳米金线6，每根纳米金线6的两端均抵接微孔4的内壁。

如图3所示，本实施例SPR传感芯片100的制备流程为：先在洗净的平面玻璃基板1上依次镀上铬层2和第一金属膜3；然后用用光刻法在第一金属膜3的顶面制备出微孔阵列的图案(即在需要开设微孔4的位置没有光刻胶7保护，而其他部位覆盖有起保护作用的光刻胶7)；接着用湿法腐蚀法去除没有被光刻胶7保护的位置处的第一金属膜3和铬层2，露出平面玻璃基板1；待完成微孔阵列的开设后，采用光刻胶洗液去除光刻胶7；在每个微孔4内镀上第二金膜5(第二金膜5可以仅镀在微孔4内，也可以在整个SPR传感芯片100的表面)，保存在真空干燥的环境中备用；使用聚焦离子束光刻(FIB)技术，根据输入到计算机中的纳米线图案用聚焦离子束从一侧开始在第二金膜5上沉积一层厚度为10～20nm的金膜，形成线宽为100nm的纳米金线6，纳米金线6的两端均抵接微孔4的内壁；接着每间隔100nm均重复同样的沉积过程，最终在每个微孔4内的第二金膜5上均沉积出周期排列的纳米金线6。

如图4所示，将本实施例的SPR传感芯片应用到SPR成像传感器中时，将该SPR传感芯片100通过折射率匹配液13耦合到光强调制型SPR成像传感器的棱镜10上，该棱镜10采用与平面玻璃基板1同样的材质制成(本实施例中为K9光学玻璃)。工作时，准直光通过棱镜10耦合入射到平面玻璃基板1与第二金膜5的界面并且发生全反射，反射光中携带了表面介质变化的信息，反射光经成像系统11处理后最终被图像传感器12(CCD)接收形成SPR传感信号。

在第二金膜5的表面修饰不同的生物敏感膜，使SPR传感芯片的每个微孔均具有检测特异性，从而可以同时检测多种样品，实现高通量高灵敏的生物传感。

如图5A和图5B所示，结合图1、图2、图4可见，SPR传感芯片的工作原理为：

准直光源8射出的准直光经起偏器9转换为偏振光，当偏振光通过SPR传感芯片下方的棱镜入射到平面玻璃基板1与金膜(包括第一金膜3和第二金膜5)的界面时，在金膜上产生SPR现象。其中在第二金膜5上产生的SPR一方面耦合到周期排列的纳米金线6中产生局域表面等离子体共振(LSPR)，LSPR主要集中在纳米金线6表面两个尖锐的边缘，从而在每一纳米金线6的两侧均引起局域电磁场增强(如图5A)，增强的电磁场对于表面介质的变化非常敏感，有利于提高SPR传感的灵敏度，一般灵敏度可增强5～10倍左右；另一方面在微孔3底部产生表面等离子体波(SPW)，SPW在水平传播过程中会受到微孔3内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强，增强的区域主要集中在微孔的边缘(如图5B)，该电磁场增强可进一步提高灵敏度，一般灵敏度可增强3倍左右；从而整个微孔内的电磁场均得到增强，双重电磁场增强效果可以使整个SPR传感芯片的灵敏度增强15～30倍。

同时，由于第一金膜3的厚度大于150nm，因此在第一金膜3上因SPR产生的电磁场无法穿透第一金膜3，同时第二金膜5产生的SPW又被第一金膜3包围而成的微孔4所束缚，从而无法到达相邻的微孔3，避免了信号的交叉干扰，有利于降低噪声，提高了SPR传感的信噪比，便于实现高通量的SPR传感。

由图5C可见，现有的常规SPR传感芯片(在平面玻璃基板上覆盖有平面金膜)并不存在电磁场增强效应。

Claims (5)

1.一种SPR传感芯片，包括平面玻璃基板，其特征在于，所述平面玻璃基板上覆盖有厚度大于150nm的第一金属膜，所述第一金属膜的顶面设有微孔阵列，每一微孔的底部均覆盖有第二金属膜，所述第二金属膜的顶面设有周期排列的若干纳米金属线；

所述第二金属膜的厚度为30～50nm；

两纳米金属线之间间隔的宽度与纳米金属线的线宽均为100nm；

所述的SPR传感芯片通过以下方法制备得到：

(1)在洗净的平面玻璃基板上依次镀上铬层和第一金属膜；

(2)在第一金属膜的顶面预留用于开设微孔的位置，其余部位覆盖保护膜；

(3)在第一金属膜的预留位置处开设微孔，然后除去保护膜；

(4)在微孔底部镀第二金属膜，并在第二金属膜的顶面依次刻蚀或沉积出每根纳米金属线。

2.如权利要求1所述的SPR传感芯片，其特征在于，每个微孔内至少设有30根纳米金属线。

3.如权利要求1所述的SPR传感芯片，其特征在于，所述第一金属膜的厚度为150～300nm。

4.如权利要求1所述的SPR传感芯片，其特征在于，所述平面玻璃基板的厚度不超过0.5mm。

5.一种SPR传感器，包括棱镜，以及与棱镜相耦合的SPR传感芯片，其特征在于，所述SPR传感芯片为权利要求1～4任一所述的SPR传感芯片，所述棱镜与SPR传感芯片中平面玻璃基板的材质相同。