CN105911013B - 一种分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片，包括自下而上依次叠置的衬底、包层薄膜、芯层薄膜和功能化层；衬底为硅片或石英玻璃片；包层薄膜的组成为Ge‑Te系硫系玻璃材料，包层薄膜的厚度为10～1000μm；芯层薄膜的组成为Ge‑Ga‑Te系硫系玻璃材料，芯层薄膜的厚度为0.5～10μm；功能化层为金纳米层，功能化层的厚度为5～100 nm；与III‑V半导体材料为基础的传感芯片相比，本发明生物传感芯片采用硫系玻璃材料，其毒性较小；本发明分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法简便易行，制备的通过形成倏逝波原理的波导结构，工作范围在2～20μm，可用于病原体检测和分子识别，通过分子官能团的振动吸收信号放大并与分子特征图谱对比获得被检测分子信息。
Description
技术领域
本发明属于无标记检测用生物传感芯片及其制备领域，具体涉及一种可在2～20μm范围内进行病原体检测和分子识别的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片及其制备方法。
背景技术
对生物分子进行检测的方法有很多，目前，使用最广泛的生物成分识别方法是固定化的生物大分子多组分阵列分析，它既可以用于检测DNA/RNA和蛋白质，也可以用来检测细菌。基于阵列的分析主要使用荧光、酶、放射性同位素示踪分子来进行目标的识别，但在分析前临时去标记生物分子是不太现实的，因此，无标记检测技术就显现出了它的优势。
无标记检测技术中，应用最多的是表面等离子体共振（SPR）生物传感器，该生物传感器利用阵列表面目标物的吸收/解吸作用所引起的光学性质（即反射率）的改变进行测量，可以用来检测DNA/RNA、肽/蛋白质、碳水化合物和细菌。而相比于SPR生物传感器，中红外生物传感器可以实现更强大的功能。
中红外生物传感器因其固有的分子选择性而获得关注，它可以用于各种化学成分及生物种类的定性和定量分析。波导和在中红外光谱区域透明的光纤材料使有机分子能够实现本振指纹吸收。中红外波导的应用有助于将台式光学仪器，如FT-IR光谱仪，转变成为有着更高敏感度的小型便携生物光学传感器。例如，Afanasyeva 等使用光纤倏逝波传感器来诊断乳腺癌[Proc SPIE, 1998, 3250:140]；Bruch等人调查了许多种在皮肤学中利用中红外光纤传感器的方式[Proc SPIE, 1998, 3564:42]；Yu和Iruclayaraj已经证实了细菌靶体能被识别及区分，是基于它们的种类及应变水平的中红外特征的不同[J.Biopolymers, 2005, 77(6): 368]。基于此，我们推测，在中红外传感器提供特征振动指纹的同时，也可以执行生物传感器的功能，从而形成一个基本的无标记综合检测系统。
硫系玻璃在光谱的红外区域的透过性好，尤其是Te基玻璃，其透过范围覆盖大气的3～5 μm和8～12 μm两个透过窗口，可广泛用于各类红外光学器件。同时也覆盖分子的官能团区，利用倏逝波波导结构，可制备用于分子检测、医学诊断等的生物传感器。尽管许多的III-V半导体材料已被用于红外设备，但是这些材料的毒性及制作的成本限制了其应用。而非晶硫化物，特别是含Ge的硫族化合物毒性较小。此外，无定型硫族化合物独特的光敏性，如光暗化效应、光学带隙和折射率的改变，可以用于制作具有通信和数据存储功能的光学元件，这个过程比使用III-V半导体波导的化学蚀刻过程更加简单且经济有效。基于硫系玻璃的生物传感芯片在理论上是可以利用其宽透过范围，通过倏逝波原理的波导结构对分子官能团的振动吸收放大并与分子特征图谱对比获得分子信息。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的不足，提供一种可在2～20 μm范围内进行病原体检测和分子识别的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片及其制备方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片，包括自下而上依次叠置的衬底、包层薄膜、芯层薄膜和功能化层；所述的衬底为硅片或石英玻璃片；所述的包层薄膜的组成为Ge-Te系硫系玻璃材料，所述的包层薄膜的厚度为10～1000 μm；所述的芯层薄膜的组成为Ge-Ga-Te系硫系玻璃材料，所述的芯层薄膜的厚度为0.5～10 μm；所述的功能化层为金纳米层，所述的功能化层的厚度为5～100 nm。
本发明公开的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片，其包层薄膜由具有较低折射率的Ge-Te系硫系玻璃材料组成，芯层薄膜由具有较高折射率的Ge-Ga-Te系硫系玻璃材料组成，形成波导结构；芯层薄膜表面的功能化层为金纳米层，在使用时，可通过在该金纳米层的表面涂覆类锚分子MPA（即3-巯基丙酸）和MHA（即16-巯基十六烷基酸）与金原子结合形成自组装层，使抗体可被连接，进而抗体捕获目标检测物中的细胞分子信息，最后通过对比抗体吸附靶体前后的分子红外谱进行检测和指纹识别。
与III-V半导体材料为基础的传感芯片相比，本发明生物传感芯片采用硫系玻璃材料，其毒性较小。本发明生物传感芯片通过形成倏逝波原理的波导结构，工作范围在2～20 μm，可用于病原体检测和分子识别，通过分子官能团的振动吸收信号放大并与分子特征图谱对比获得被检测分子信息。
作为优选，所述的包层薄膜的组成为GeTe4硫系玻璃材料，所述的芯层薄膜的组成为Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料。Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料具有优异的透红外性能，作为芯层薄膜的组成材料时，赋予薄膜生物传感芯片更优异的性能，使薄膜生物传感芯片的工作范围为2～20 μm，完全覆盖了分子官能团区及3～5 μm和8～12 μm两个大气透过窗口。
一种上述分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用硅片或石英玻璃片为衬底，将Ge-Te系硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge-Ga-Te系硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为10～90 W，溅射速率为10～20 Å/s，进行直流磁控溅射，在硅片或石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为10～1000 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为10～50 W，溅射速率为4～10 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为0.5～10 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为5～100 nm的功能化层。
与现有技术相比，本发明的优点在于：与III-V半导体材料为基础的传感芯片相比，本发明生物传感芯片采用硫系玻璃材料，其毒性较小。本发明分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法简便易行，制备的通过形成倏逝波原理的波导结构，工作范围在2～20 μm，可用于病原体检测和分子识别，通过分子官能团的振动吸收信号放大并与分子特征图谱对比获得被检测分子信息。进一步地，可选用GeTe4硫系玻璃材料作为包层薄膜，Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料作为芯层薄膜，完全覆盖了分子官能团区及3～5 μm和8～12 μm两个大气透过窗口。
附图说明
图1为本发明硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图；
图2为实施例1的硫系玻璃薄膜生物传感芯片的传输光谱图。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用硅片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为10 W，溅射速率为10 Å/s，进行直流磁控溅射，在硅片衬底的表面溅射得到厚度为10 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为10 W，溅射速率为4 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为0.5 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为5 nm的功能化层，即得到实施例1的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例1的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为10 μm，芯层薄膜3的厚度为0.5 μm，功能化层4的厚度为5 nm。检测时，在图1所示的薄膜生物传感芯片的左侧耦合注入红外光，右侧使用红外光谱仪进行检测，得到的传输光谱图如图2所示，红外光在波导结构中的传输路径示意图如图1中箭头所示。从图2可见其传输透过范围为2～20 μm。
实施例2的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用石英玻璃片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为30 W，溅射速率为12 Å/s，进行直流磁控溅射，在石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为50 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为15 W，溅射速率为6 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为1 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为10 nm的功能化层，即得到实施例2的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例2的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为50 μm，芯层薄膜3的厚度为1 μm，功能化层4的厚度为10 nm。
实施例3的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用硅片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为40 W，溅射速率为15 Å/s，进行直流磁控溅射，在硅片衬底的表面溅射得到厚度为100 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为20 W，溅射速率为8 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为2 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为20 nm的功能化层，即得到实施例3的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例3的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为100 μm，芯层薄膜3的厚度为2 μm，功能化层4的厚度为20 nm。
实施例4的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用石英玻璃片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为50 W，溅射速率为15 Å/s，进行直流磁控溅射，在石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为200 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为25 W，溅射速率为8 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为3 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为20 nm的功能化层，即得到实施例4的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例4的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为200 μm，芯层薄膜3的厚度为3 μm，功能化层4的厚度为20 nm。
实施例5的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用石英玻璃片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为90 W，溅射速率为20 Å/s，进行直流磁控溅射，在石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为500 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为50 W，溅射速率为10 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为5 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为50 nm的功能化层，即得到实施例5的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例5的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为500 μm，芯层薄膜3的厚度为5 μm，功能化层4的厚度为50 nm。
实施例6的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用硅片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为90 W，溅射速率为20 Å/s，进行直流磁控溅射，在硅片衬底的表面溅射得到厚度为1000 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为50 W，溅射速率为10 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为10 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为100 nm的功能化层，即得到实施例6的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例6的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为1000 μm，芯层薄膜3的厚度为10 μm，功能化层4的厚度为100 nm。
实施例7的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
1）在磁控溅射镀膜系统中，采用石英玻璃片为衬底，将GeTe4硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2）对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4 Pa；
3）向溅射腔室内通入体积流量为47.6 mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25 Pa；
4）调整直流磁控溅射靶的溅射功率为75 W，溅射速率为18 Å/s，进行直流磁控溅射，在石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为800 μm的包层薄膜；
5）调整射频磁控溅射靶的溅射功率为45 W，溅射速率为9 Å /s，进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为8 μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6）向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5）获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4 Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为75 nm的功能化层，即得到实施例7的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片。
实施例7的分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的结构示意图如图1所示。该薄膜生物传感芯片包括自下而上依次叠置的衬底1、包层薄膜2、芯层薄膜3和功能化层4，其中，包层薄膜2的厚度为800 μm，芯层薄膜3的厚度为8 μm，功能化层4的厚度为75 nm。
Claims (2)
1.一种分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片，其特征在于包括自下而上依次叠置的衬底、包层薄膜、芯层薄膜和功能化层；所述的衬底为硅片或石英玻璃片；所述的包层薄膜的组成为Ge-Te系硫系玻璃材料，所述的包层薄膜的厚度为10～1000μm；所述的芯层薄膜的组成为Ge-Ga-Te系硫系玻璃材料，所述的芯层薄膜的厚度为0.5～10μm；所述的功能化层为金纳米层，所述的功能化层的厚度为5～100nm；该分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片的制备方法包括以下步骤：
1)在磁控溅射镀膜系统中，采用硅片或石英玻璃片为衬底，将Ge-Te系硫系玻璃材料靶材安装在直流磁控溅射靶中，将Ge-Ga-Te系硫系玻璃材料靶材安装在射频磁控溅射靶中；
2)对磁控溅射镀膜系统的溅射腔室进行抽真空直至溅射腔室内真空度小于5×10-4Pa；
3)向溅射腔室内通入体积流量为47.6mL/min的高纯氩气直至溅射腔室内气压达到溅射所需的起辉气压0.25Pa；
4)调整直流磁控溅射靶的溅射功率为10～90W，溅射速率为进行直流磁控溅射，在硅片或石英玻璃片衬底的表面溅射得到厚度为10～1000μm的包层薄膜；
5)调整射频磁控溅射靶的溅射功率为10～50W，溅射速率为进行射频磁控溅射，在包层薄膜的表面溅射得到厚度为0.5～10μm的芯层薄膜，获得叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底；
6)向磁控溅射镀膜系统的溅射腔室充入空气后打开，取出步骤5)获得的叠置有包层薄膜和芯层薄膜的衬底，采用热蒸发法在芯层薄膜的表面镀金，热蒸发真空度小于5×10-4Pa，在芯层薄膜的表面得到厚度为5～100nm的功能化层。
2.根据权利要求1所述的一种分子检测用硫系玻璃薄膜生物传感芯片，其特征在于所述的包层薄膜的组成为GeTe4硫系玻璃材料，所述的芯层薄膜的组成为Ge15Ga10Te75硫系玻璃材料。
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| Chalcogenide Thin Film Substrate for Protein Biochip Application;A.S.Tveryanovich et al.;《Journal of Applied Chemistry》;20140405;全文 * |
| 红外硫系玻璃光纤在传感领域的研究进展;尹冬梅 等;《激光与光电子学进展》;20131231;全文 * |
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