CN104764715B - 一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法，包括如下步骤：清洗基片；在所述基片上涂覆聚酰亚胺膜；在所述聚酰亚胺膜上涂覆光刻胶LOR并烘干；在所述光刻胶LOR上涂覆光刻胶AZ1500并烘干；对光刻胶进行曝光、显影和烘干；在所述光刻胶AZ1500和露出的聚酰亚胺膜上蒸发一层金属；将蒸发一层金属的基片浸泡在丙酮溶液中剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后用显影液去除剩余的光刻胶LOR；去除基片：将基片和聚酰亚胺膜剥离。本发明还公开了一种将上述太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法。本发明实现太赫兹波段多频点、高灵敏度传感的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种太赫兹传感器的制造方法，特别涉及一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法，以及用于生物肿瘤细胞检测的方法。
背景技术
太赫兹技术在国际安全、通讯、以及生物医学等方面有深远的学术意义和重大的应用价值。要实现对太赫兹波切实有效的应用，特别是在生物医学方面，太赫兹传感器之类的功能器件至关重要。随着近年来的研究发展，有人开始提出利用电磁超材料结构实现太赫兹传感器。
电磁超材料的电磁性能高度依赖于其组成的单元几何结构,人们只需要通过设计谐振结构就可以灵活地控制其电磁特性。现在广泛使用的生物分子、细胞检测的荧光标记法会因加入标记物对待侧样品产生影响，且操作步骤繁琐，影响结果的可靠性。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法，以及用于生物肿瘤细胞检测的方法，实现太赫兹波段多频点、高灵敏度传感的检测以及生物传感识别的多频点和高灵敏度测量。
技术方案：为实现上述发明目的，本发明采用的第一种技术方案为一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器的制造方法，包括如下步骤：
（1）清洗基片；
（2）在所述基片上涂覆聚酰亚胺膜；
（3）在所述聚酰亚胺膜上涂覆光刻胶LOR并烘干；
（4）在所述光刻胶LOR上涂覆光刻胶AZ1500并烘干；
（5）对光刻胶进行曝光、显影和烘干；
（6）在所述光刻胶AZ1500和露出的聚酰亚胺膜上蒸发一层金属；
（7）将蒸发一层金属的基片浸泡在丙酮溶液中剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后用显影液去除剩余的光刻胶LOR；
（8）去除基片：将基片和聚酰亚胺膜剥离。
进一步的，所述步骤（1）中，分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗基片。
进一步的，所述步骤（2）中，采用两次旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液并进行固化，得到厚度为10μm的聚酰亚胺膜。
进一步的，所述步骤（3）中的烘干温度为150℃，时间5分钟；所述步骤（4）中的烘干温度不超过90℃，时间10分钟。
进一步的，所述步骤（5）中曝光时所用掩膜板结构为周期结构，每个单元为5个同心圆环。
进一步的，所述一层金属包括厚度为20nm的钛和厚度为200nm的金。
进一步的，所述步骤（9）中，用HF酸溶液浸泡涂覆聚酰亚胺膜的基片，然后取出所述基片，把聚酰亚胺膜从基片上剥离掉，在90℃的温度下固化10分钟左右。更进一步的，所述步骤（9）中，浸泡的时间约为15分钟。
进一步的，所述基片为硅基片。
本发明采用的第二种技术方案为一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，包括如下步骤：
（1）在培养板中加入含有5%胎牛血清的DMEM（Dulbecco's Modified EagleMedium，达尔伯克氏必须基本培养基）高糖培养基和肿瘤细胞，将所述培养板置于二氧化碳培养箱中培养肿瘤细胞；
（2）待肿瘤细胞长满培养板底时，利用酶解法消化肿瘤细胞，得到单细胞悬液并进行细胞计数；
（3）将所述太赫兹传感器放置并浸泡在含有DMEM高糖培养基的培养板底上，设置肿瘤细胞悬液，放置于有所述太赫兹传感器的培养板中培养；
（4）待肿瘤细胞完全贴壁后，取出所述太赫兹传感器，使用纯水冲洗传感器表面，去除残留的DMEM高糖培养基；
（5）去除所述太赫兹传感器表面的水分，即得到生长有单层肿瘤细胞的太赫兹传感器。
进一步的，所述肿瘤细胞为贴壁型肿瘤细胞。
进一步的，所述步骤（4）中，肿瘤细胞在8-12小时后即完全贴壁。
有益效果：本发明制造的太赫兹传感器相比以往结构，可以多个频点测量，并且由于所用衬底为聚酰亚胺薄膜，厚度可以根据需要调节，可以实现非常高的灵敏度。用于生物分子、细胞检测时，可以实现无标记检测，相比现在广泛使用的荧光标记法，不会对待测样品产生外加影响，从而减少操作步骤，提高检测结果可靠性，这在生物传感等功能器件方面展现了巨大的应用前景，尤其是在生物医学的高灵敏传感识别方面。
附图说明
图1为多频点、高灵敏太赫兹传感器的结构示意图；
图2为多频点、高灵敏太赫兹传感器的制作示意图；
图3为多频点、高灵敏太赫兹传感器的显微镜照片；
图4为结合了待测肿瘤细胞的多频点、高灵敏太赫兹传感器的显微镜照片；
图5为用本发明的多频点、高灵敏太赫兹传感器的测试样例的传输谱图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的使用范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一、设计多频点、高灵敏太赫兹传感器
为设计多频点、高灵敏太赫兹传感器的结构，研究了各种各样的超材料结构。但是之前的结果基本都是单个频点的测量，很少考虑存在色散问题的待测物，而且灵敏度不够高。基于这些，我们设计了一种简单的基于柔性基底polyimide（聚酰亚胺）的多频点、高灵敏太赫兹传感器结构，示意图如图1所示，该传感器的整体结构为polyimide-metal，包括2层，polyimide主要做柔性基底的作用，金属结构层做谐振传感的作用。该金属结构是由5个同心的圆环组成。选择这种结构主要原因在于金属结构形状比较简单，制作容易，5个圆环可以形成多个频点（4个）的测量，并且该结构的对称性对电场极化方向不敏感。
为确定该结构的具体参数，先用基于时域积分算法的电磁场软件CST进行大量模拟仿真，x与y方向分别设置为电边界与磁边界，电磁场传输方向沿着z方向,最后根据传输特性确定最佳具体参数。图1中聚酰亚胺的厚度10µm，金属结构层包括厚度20nm的钛和厚度200nm的金。金属结构中5个圆环的内径分别为: R 1 =20 µm, R 2 =28 µm,R 3 =36 µm,R 4 =44 µm,R 5 =52 µm,环与环间距及环宽度为g= 4 µm。
二、多频点、高灵敏太赫兹传感器加工制作
按照如图1模拟的太赫兹传感器结构参数进行实际制作，首先用L-edit软件将图1的结构画出掩膜板文件，再做成掩膜板。接着样品制作的具体步骤如图2所示：
对于该样品的实际制作，示意图如图(2)所示，过程如下：
（1）甩10μm厚聚酰亚胺膜
首先丙酮、酒精、去离子水超声清洗大小为 10mm ×10mm, 厚度为 500μm的硅基片。然后在清洗干净的硅片上分两次甩粘度为3600（厘泊）聚酰亚胺溶液，得到10μm厚聚酰亚胺薄膜。
（2）甩两层光刻胶
在聚酰亚胺薄膜上，依次甩两层光刻胶LOR与AZ1500，先甩下层光刻胶LOR，转速分别为600/4000 rpm，时间为6/40秒 ，烘烤温度150℃，时间为5分钟。再甩上层光刻胶AZ1500，转速分别为 600/6000 rpm，时间为6/30秒，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
（3）紫外曝光与显影
在光刻机上放置涂好光刻胶的基片和掩模板（MASK）并对准，掩膜板结构为5个同心圆环的周期结构。曝光时间为16秒，曝光完以后接着用正胶显影液进行显影，显影时间为15秒，然后进行后烘，烘烤温度为90℃，时间为10分钟。
（4）蒸一层金属与剥离
用电子束在光刻胶AZ1500和露出的聚酰亚胺膜上面蒸20nm/ 200nm钛/金。将蒸金属的样品浸泡在丙酮溶液中进行剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的第一层金属，浸泡时间20分钟左右即可。然后超声振动20秒左右，接着用正胶显影液去除剩余的LOR光刻胶，然后用去离子水清洗, 显影时间大约15秒左右，最后进行烘烤，温度为90℃，时间为10分钟。
经过步骤(2)(3)(4),就可以得到一层金属结构。
（5）硅基底剥离
把硅基底的聚酰亚胺薄膜浸泡在HF溶液中大约15分钟，然后取出，小心把聚酰亚胺膜从硅基底剥离掉，在90℃的温度下固化10分钟左右。
经过以上程序，就可以得到如图3所示多频点、高灵敏太赫兹传感器，整个传感器大小为 10 mm×10 mm。该结构的太赫兹传感器相比以往结构，可以多个频点测量，并且由于基底为柔性聚酰亚胺薄膜，相比厚的晶片做基底，灵敏度非常高。
三、多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法
（1）细胞培养
所有的肿瘤细胞均为贴壁型细胞，并使用含有5%胎牛血清的DMEM培养基，于二氧化碳培养箱培养肿瘤细胞（条件为37°C、5% CO2）。
（2）细胞消化和计数
待细胞长满培养皿底时，使用5%胰蛋白酶消化肿瘤细胞，并用2ml培养基轻轻吹打，得到肿瘤细胞单细胞悬液，使用细胞计数软件进行单细胞计数并设置不同浓度梯度的单细胞悬液。
（3）接种单层肿瘤细胞于太赫兹传感器上
将传感器粘附并固定到6孔培养板底，加入不同浓度的肿瘤细胞并用培养基补足至1ml培养体系。
（4）检测前传感器的处理
待8-12小时后，肿瘤细胞完全贴壁，取出传感器，用纯水轻轻冲洗传感器表面3次，除去表面残留的培养基，然后吸去传感器表面水分。
经过以上程序，就可以得到如图4所示结合了待测肿瘤细胞的太赫兹传感器。
四、多频点、高灵敏太赫兹传感器实验结果及讨论
本发明设计的多频点、高灵敏太赫兹传感器最主要的应用方面是生物传感。图5为在室温干燥（湿度小于4%）的氮气环境下，用太赫兹时域光谱仪器测量一层口腔肿瘤细胞的透射谱。从图5可知，四个谐振频点的频率偏移分别为32 GHz, 40 GHz,60 GHz,70 GHz，灵敏度非常高。
另外，本发明的太赫兹传感器还可以应用到生物医学的其他方面，比如利用分子特异性结合，可实现高灵敏的单分子层传感识别，比如检测链霉亲和素时，可测到四个频率偏移分别可达到23 GHz， 25 GHz， 28 GHz， 28 GHz，比吴晓君等人在文献中报道的频率偏移仅有几个GHz灵敏几倍。
为进一步说明设计的柔性基底上太赫兹传感器灵敏度高的优点及效果，我们模拟了不同厚度和不同折射率参数的待测样品的测试结果，发现四个谐振的频率偏移都与待测样品的折射率相对变化参数Δn（Δn = n -1，其中n为待测样品折射率）成正比，在折射率一定的情况下，随测试样品厚度的增加而增加，直到饱和。定义太赫兹传感器灵敏度为：Δ f/(Δn * d ),这里，Δf为频率偏移量，d为待测样品厚度。通过计算，得到本发明的太赫兹传感器灵敏度达0.132 GHz/nm，相比Hu Tao等人用更薄的400 nm SiNx灵敏度高了大约三倍，若是把本发明的聚酰亚胺基底长的更薄，灵敏度可以进一步提高。
总之，我们在聚酰亚胺基底上设计制作的太赫兹传感器，主要体现在可以多频点测量、且灵敏度较高的优点。根据实际需要，对基底厚度、金属结构参数可进行优化设计，还可以得到其他频率、灵敏度更高的太赫兹传感器。因此，广泛应用于太赫兹传感识别方面。
Claims (9)
1.一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，包括如下步骤：
（1）在培养板中加入含有5%胎牛血清的DMEM高糖培养基和肿瘤细胞，将所述培养板置于二氧化碳培养箱中培养肿瘤细胞；
（2）待肿瘤细胞长满培养板底时，利用酶解法消化肿瘤细胞，得到单细胞悬液并进行细胞计数；
（3）将太赫兹传感器放置并浸泡在含有DMEM高糖培养基的培养板底上，设置肿瘤细胞悬液，放置于有所述太赫兹传感器的培养板中培养；
（4）待肿瘤细胞完全贴壁后，取出所述太赫兹传感器，使用纯水冲洗传感器表面，去除残留的DMEM高糖培养基；
（5）去除所述太赫兹传感器表面的水分，即得到生长有单层肿瘤细胞的太赫兹传感器；
所述太赫兹传感器的制造方法包括如下步骤：
1）清洗基片；
2）在所述基片上涂覆聚酰亚胺膜；
3）在所述聚酰亚胺膜上涂覆光刻胶LOR并烘干；
4）在所述光刻胶LOR上涂覆光刻胶AZ1500并烘干；
5）对光刻胶进行曝光、显影和烘干；
6）在所述光刻胶AZ1500和露出的聚酰亚胺膜上蒸发一层金属；
7）将蒸发一层金属的基片浸泡在丙酮溶液中剥离去除剩下的光刻胶AZ1500与所述光刻胶AZ1500上的一层金属，然后用显影液去除剩余的光刻胶LOR；
8）去除基片：将基片和聚酰亚胺膜剥离。
2.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤1）中，分别用丙酮、酒精和去离子水超声清洗基片。
3.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤2）中，采用两次旋转涂法甩粘度为3600厘泊的聚酰亚胺溶液并进行固化，得到厚度为10μm的聚酰亚胺膜。
4.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤3）中的烘干温度为150℃，时间5分钟；所述步骤4）中的烘干温度不超过90℃，时间10分钟。
5.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤5）中曝光所用的掩膜板的结构为周期结构，每个单元为5个同心圆环。
6.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述一层金属包括厚度为20nm的钛和厚度为200nm的金。
7.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤8）中，用HF酸溶液浸泡涂覆聚酰亚胺膜的基片，然后取出所述基片，把聚酰亚胺膜从基片上剥离掉，在90℃的温度下固化10分钟左右。
8.根据权利要求1所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述肿瘤细胞为贴壁型肿瘤细胞。
9.根据权利要求8所述一种新型多频点、高灵敏太赫兹传感器用于肿瘤细胞检测的方法，其特征在于：所述步骤（4）中，肿瘤细胞在8-12小时后即完全贴壁。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| EXSB | Decision made by sipo to initiate substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20170531 Termination date: 20180424 |
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