CN106423316A - 一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于生物化学检测的纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，所述芯片是通过集成纳米表面等离子体传感器和微尺度流体器件，在同一芯片上实现微尺度流体操控和表面等离子体共振分析的生物检测芯片。本发明同时提供了所述纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，该方法的核心是利用所述芯片的平滑的纳米金属薄膜纳米结构，制造可用于热压成型的具有纳米结构的模具，从而实行表面等离子体共振传感器纳米结构和微流控器件结构成型的方法。

Description

一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片及其制造 方法
技术领域
本发明涉及分析检测技术领域，特别是一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片。
背景技术
表面等离子体分析和微流控器件流体操控都涉及跨学科领域，包括基础的物理、化学和生物科学，并且是生化分析、微机电加工、生命科学及环境科学等许多科学研究和实用技术领域的重要发展前沿。随着现代生物医学的发展，高灵敏度的检测技术和微型化的分析系统在生物分析中发挥着极其重要的作用。
高灵敏度的表面等离子体分析技术和微型分析系统的微流控器件技术，已经使用在多种生化科学领域，并各自占有分析科学的重要地位。基于表面等离子体体共振技术的生物传感器具有其它检测技术所无法比拟的优点，如不需对分子进行标记、能实时检测生物分子结合反应的全过程等。而微流控器件技术则可以精确控制和操控微尺度流体，在生物、化学、医学分析过程中可以将样品制备、反应、检测等基本操作单元集合到同一块芯片上。微流控器件技术已应用于表面等离子体共振分析中。
表面等离子体共振是一种光学物理现象，入射光在一定条件下与金属界面的电子耦合引发共振，即表面等离子体共振，此共振对金属表面附近的介质变化而引致光信号角度或者强度的变化极为敏感，因此，可以利用这一特性，来检测金属表面的生物分子、化合物或者金属离子的介质特性；分析生物分子、化合物或者金属离子的在界面的相互作用，得到相应成分的浓度、相互作用的速率、结合及解离的比例等参数。现有的表面等离子体共振分析普遍建立在全反射模式上，使用激光光源测试反射光角度，利用衰减全反射棱镜藕合方法，实现激光激发表面等离子体波，通过检测全反射角度的变化获取生化反应的信息。但是由于采用棱镜、激光以及角度探测方式，需使用精密的光学仪器，占据空间大，难于小型化及实现多点检测。而现有纳米表面等离子体技术中的纳米结构棱角尖锐，导致其信号差，重复性差，制造昂贵。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，所述芯片是通过集成纳米表面等离子体传感器和微流控器件，在同一芯片上实现微尺度流体操控和表面等离子体共振分析的生物检测芯片。同时还提供了上述纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法。
一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，包括纳米表面等离子体传感器和具有透光性的微流控器件，微流控器件内设有反应室，纳米表面等离子体传感器设置于微流控器件的反应室内。
纳米表面等离子体传感器包括设置在反应室内的周期分布的纳米结构单元，纳米结构单元上设有对应的纳米金属薄膜。
进一步地，采用金属镀膜工艺，将纳米金属薄膜淀积在纳米结构单元上。
进一步地，微流控器件还设有：通道，并且通道与反应室相连通。
进一步地，纳米结构单元包括若干凸部，纳米结构单元的凸部边界平滑。
进一步地，纳米结构单元的高度为30-200nm，周期为200-1000nm，纳米金属薄膜的厚度为20-200nm。其中，本领域中，周期是指等距排列的单个纳米结构单元的凸部间的固定距离。
一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，包括以下步骤：
一、基板上制造纳米结构单元；
二、对纳米结构单元进行平滑处理；
三、制造微流控器件的反应室,得到成型的基板，纳米结构单元位于反应室内；
四、基于步骤三得到的成型的基板制造母板；
五、热压成型：将母板采用热压成型工艺制造纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片。
进一步地，步骤一中，基板上还制造有通道，通道与反应室相连通。
另一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的另一种制造方法，包括以下步骤：
A、在基板上制造反应室结构；
B、在基板上制造纳米结构单元，并且纳米结构单元位于反应室内。
C、平滑处理：对纳米结构单元进行平滑处理；
D、基于步骤C得到的成型的基板制造母板；
E、热压成型：使用步骤D得到的母板，采用热压成型工艺制造纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片。
进一步地，步骤A中，基板上还制造有通道，通道与反应室相连通。
进一步地，平滑处理，是指在基板有纳米结构单元一面，通过旋涂工艺涂覆一层有机聚合物溶液，然后加热烘干，形成一层有机聚合物涂层。
本发明的有益效果如下：
本发明所提供的纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，通过集成纳米表面等离子体传感器和微流控器件，在同一芯片上实现微尺度流体操控和表面等离子体共振分析。纳米表面等离子体共振传感器与入射光相互作用产生共振，微流控器件传输通道中的生物或化学反应而引致共振光信号的变化，产生能够被光谱探测器探测的光谱。纳米表面等离子体传感器和微流控器件的结合，为一种或多种待测检体提供了便捷可控的高灵敏度的定量可控且免标记的检测分析。本发明还同时提供了纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，制造具有纳米结构单元和微流控器件通道结构的母板，并对纳米结构单元进行平滑处理，经过平滑处理的纳米结构单元不仅能够极大的提高传感器整体的灵敏度，并且正因为经过平滑处理，因此可以使用热压工艺，实行大规模高质量纳米表面等离子体共振传感器的纳米结构和微流控器件结构的成型。
附图说明
图1是纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的示意图。
图2是通道130、反应室150和纳米表面等离子体传感器140位于同一侧的微流控器件组合结构图。
图3是通道130、反应室150和纳米表面等离子体传感器140位于不同侧的微流控器件组合结构图。
图4是纳米表面等离子体检测芯片的测试示意图。
图5是纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的一种制造方法的工艺流程图。
图6是纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的另一种制造方法的工艺流程图。
图7是栅状的纳米结构单元示意图。
图8是柱状或点状纳米结构单元示意图。
图9是采用平滑工艺处理前的的纳米结构单元截面图。
图10是采用平滑工艺处理后的的纳米结构单元截面图。
图中标记为：
100-主板，110-盖板，120-接口，130-通道，140-纳米表面等离子体传感器，150-反应室，310-光源，320-入射光，330-透射光，340-光谱仪。
其中，主板和盖板指微流控器件的主板和盖板。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1、图2、图3、图4、图7、图8、图9和图10所示，本实施例提供了一种纳米表面等离子体集成微流控器件检测芯片，其包括纳米表面等离子体传感器140和具有透光性的微流控器件，微流控器件包括主板100，盖板110，接口120120，本领域中，主板100和盖板110也可以统称为基板。其中，所述的主板100和盖板110密封结合，形成所述的纳米表面等离子体集成微流控器件检测芯片。微流控器件内设有通道130和反应室150，纳米表面等离子体传感器140设置于微流控器件的反应室150内，通道130连通反应室150；
纳米表面等离子体传感器140包括具有纳米结构单元的纳米金属薄膜，反应室150内设有周期分布的纳米结构单元，所述纳米金属薄膜是通过金属镀膜工艺淀积在纳米结构单元上，形成的具有纳米结构的纳米金属薄膜。
本实施例提供了所述纳米表面等离子体集成微流控器件检测芯片的组合图，图2为微流控器件通道130结构和纳米表面等离子体传感器140制造在同一基底上的结构；图3为微流控器件通道130结构和纳米表面等离子体传感器140制造在不同基底上的结构。如图2所示盖板110，微流控器件的通道130、反应室150和纳米表面等离子体传感器140制造在主板100上，主板100与盖板110粘合形成封闭的通道130和反应室150，实现纳米表面等离子体传感器140和微流控器件的集成。如图3所示盖板110，微流控器件结构和纳米表面等离子体传感器140制造在不同基底上，微流控器件结构可以制造在主板100上，纳米表面等离子体传感器140制造在盖板110上的微流控器件反应室150相应的位置，主板100有微流控器件反应室150的一面与盖板110有纳米表面等离子体传感器140的一面相互粘合形成封闭的通道130，实现纳米表面等离子体传感器140和微流控器件的集成。盖板110的厚度为0.5-2mm，以保证盖板110结构强度，可以选用玻璃、石英或者环烯烃类共聚物塑料等透明材料，保证其具有良好的透光性。
如图4所示，所述的纳米表面等离子体检测芯片的测试方法，待测液体样品通过接口120部件注入微流控器件的通道130中，流经各个纳米表面等离子体共振传感器，通过检测透射光330的光谱信息，对生化反应进行分析。纳米表面等离子体共振传感器可以为一个或者多个。
其中，光源310为白色或宽带光源310，其波长范围覆盖400-1000nm；光谱分析仪的探测范围可为普遍使用的200-1100nm范围。
在分析中，光源310发出的入射光320透过纳米表面等离子体共振传感器和微流控器件，反应室150中的生化反应引致表面等离子体共振光信号的变化，光谱仪340收集相应的透射光330的光谱信号，并通过分析信号中共振波长的偏移，来定量的检测生化反应。同时，本发明提供的纳米表面等离子体共振传感器使用的光通路固定，优选的，光通路垂直于所述的芯片。因此，所述的芯片可以沿平面移动，或者探头和光源310同时沿平面移动，实现对多个纳米表面等离子体共振传感器的检测。
纳米结构单元包括若干凸部，纳米结构单元的凸部边界平滑，其中，图7为栅状凸部，图8为柱状凸部；纳米结构单元的高度可选范围为20-200nm，且边界平滑，以保证其具有高效的表面等离子体共振耦合；纳米结构单元呈周期分布，即凸部呈周期分布，单个纳米结构之间的距离可为400-1000nm，以保证与表面等离子体体共振耦合的光的波长具有足够高的信号强度，并适用于普遍使用的200-1100nm检测范围的光谱仪340；如图9和图10所示,纳米结构单元通过平滑处理工艺后，提高了表面的平滑度并削弱边角的尖锐度，以增强纳米表面等离子体共振耦合的光信号敏感度。
金属通过镀膜工艺淀积在热压成型的纳米结构单元上，形成纳米金属薄膜，纳米金属薄膜的厚度可为30–200nm；其中，理想纳米结构单元的高度为100nm，理想周期为500-800nm。
上述实施例中，在检测透射光330模式下，纳米金属薄膜的优选厚度为30-70nm；在检测反射光模式下，纳米金属薄膜的优选厚度为50-200nm。
上述实施例中，纳米金属薄膜可以选用金、银或合金等材料。
实施例二
如图5所示，提供了本发明所述纳米表面等离子体检测芯片的一种制造方法中的关键步骤：金属母板的制造，通常由镍制成，其流程包括：1、在基底上通过采用电子束曝光、激光干涉曝光或纳米压印工艺等制备纳米结构单元；2、旋涂工艺涂覆一层液态的有机聚合物溶液，然后加热烘干固化，形成厚度10nm左右的有机聚合物涂层；3、涂覆一层光刻胶，使用光刻工艺，在相应的纳米结构单元处制造微流控器件的反应室150和通道130结构；4、使用真空淀积工艺，在光刻工艺显影完成后的有纳米结构单元和通道130结构的基板一面淀积一层50nm左右的金属银或镍层，然后使用电镀工艺，电镀金属镍加厚金属层厚度到0.5mm左右；5、电镀完成后将金属镍和基板分离，得到所需要的金属镍的母板。
所述流程的步骤1和3中，纳米结构单元可采用电子束曝光、激光干涉曝光或纳米压印工艺等制备，然后通过光刻制造工艺在纳米结构单元相应的位置制造微流控器件的反应室150和通道130。
所述流程的步骤2中，可采用1％的电子束光刻胶PMMA，旋涂于基板上，然后在180摄氏度下烘干十分钟，可以在基板上形成10nm左右的涂层。
所述流程的步骤2中，还可以使用CVD(化学气相淀积)或者原子层淀积(ALD)镀膜工艺在200摄氏度以下，低温制造一层10nm左右薄膜，此薄膜可以是二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅等材料。
实施例三
如图6所示，提供了本发明所述纳米表面等离子体检测芯片的另一种制造方法中的关键步骤：母板的制造，优选的，本实施例采用树脂制造母板，其流程包括：1、在基底上制造微流控器件的反应室150和通道130结构；2、通过采用电子束曝光、激光干涉曝光或纳米压印等工艺在相应的反应室150结构处制造纳米结构单元；3、旋涂工艺在有反应室150和纳米结构单元的基底一面涂覆一层有机聚合物溶液，然后加热烘干，形成薄的一层的有机聚合物涂层；4、在有反应室150和纳米结构单元的基底一面浇筑一层树脂，厚度为2-5cm，然后在将基底加热烘干；5、树脂烘干硬化后，将树脂和基底分离，得到所需要的树脂母板。
本实施例所述流程的步骤1中，所述的微流控器件的通道130结构可使用CNC(计算机数字化控制机床制造技术)制造在的金属铝或者不锈钢基底上。
本实施例所述流程的步骤3中，可采用1％的电子束光刻胶PMMA，旋涂于基板上，然后在180℃下烘干十分钟，可以在基板上形成10nm左右的涂层。
本实施例所述流程的步骤3中，还可以使用CVD(化学气相淀积)或者原子层淀积(ALD)镀膜工艺在200摄氏度以下，低温制造一层10nm左右的薄膜，此薄膜可以是二氧化硅、三氧化二铝、氮化硅等材料。
本实施例所述流程的步骤4中，所述树脂材料，可以使用聚二甲基矽氧烷(PDMS)，浇筑到基底有反应室150和纳米结构单元一面，然后烘干固化，形成树脂母板。树脂母板的表面形成与所述纳米等离子体集成微流控器件生物芯片凸凹正好相反的印膜。所述基底可以重复使用，制造多块树脂母板。
实施例四
在实施例二和实施例三中所述的平滑处理，是指在基板有纳米结构单元一面，通过旋涂工艺涂覆一层有机聚合物溶液，然后加热烘干，形成一层有机聚合物涂层。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，其特征在于，包括纳米表面等离子体传感器（140）和具有透光性的微流控器件，微流控器件内设有反应室（150），纳米表面等离子体传感器（140）设置于微流控器件的反应室（150）内；
纳米表面等离子体传感器（140）包括设置在反应室（150）内的周期分布的纳米结构单元，纳米结构单元上设有对应的纳米金属薄膜。
2.根据权利1要求所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，其特征在于，采用金属镀膜工艺，将纳米金属薄膜淀积在纳米结构单元上。
3.根据权利1要求所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，其特征在于，微流控器件还设有：通道（130），并且通道（130）与反应室（150）相连通。
4.根据权利1要求所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，其特征在于，纳米结构单元包括若干凸部，纳米结构单元的凸部边界平滑。
5.根据权利1要求所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片，其特征在于，纳米结构单元的高度为30-200nm，周期为200-1000nm，纳米金属薄膜的厚度为20-200nm。
6.根据权利要求1所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
一、基板上制造纳米结构单元；
二、对纳米结构单元进行平滑处理；
三、制造微流控器件的反应室,得到成型的基板，纳米结构单元位于反应室内；
四、基于步骤三得到的成型的基板制造母板；
五、热压成型：将母板采用热压成型工艺制造纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片。
7.根据权利6要求所述的纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，其特征在于，步骤一中，基板上还制造有通道，通道与反应室相连通。
8.根据权利要求1所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的另一种制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A、在基板上制造反应室结构；
B、在基板上制造纳米结构单元，并且纳米结构单元位于反应室内；
C、平滑处理：对纳米结构单元进行平滑处理；
D、基于步骤C得到的成型的基板制造母板；
E、热压成型：使用步骤D得到的母板，采用热压成型工艺制造纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片。
9.权利要求8所述的一种纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的另一种制造方法，其特征在于，步骤A中，基板上还制造有通道，通道与反应室相连通。
10.根据权利要求6或8所述的纳米表面等离子体集成微流控器件生物芯片的制造方法，其特征在于，平滑处理，是指在基板有纳米结构单元一面，通过旋涂工艺涂覆一层有机聚合物溶液，然后加热烘干，形成一层有机聚合物涂层。
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