CN106595727B - 基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器及制备方法，该传感器包括光子晶体结构和光学透明覆盖层，光子晶体结构包括玻璃基底、由紫外线固化物所形成的低折射率光栅层和沉积在所述光栅层上的高折射率材料层；该方法包括：制备具有光栅周期结构的石英光栅母模板；在载玻片上旋涂紫外线固化物；加热石英光栅母模板，并在光栅凹槽内滴入剥离胶，然后将载玻片覆盖在石英光栅母模板上并固化；在载玻片背面粘贴盖玻片；在光栅层上沉积高折射率材料获得高折射率材料层；在材料层表面粘贴光学透明覆盖层以使两者键合，学透明覆盖层与光栅凹槽之间形成纳米流体通道。本发明具有制备简洁快速，制作精度高、成本低的特点，且适合于大批量生产。
Description
技术领域
本发明属于光电器件领域，更具体地，涉及基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器及制备方法。
背景技术
基于光子晶体的纳米流体传感器是指将光子晶体的高折射率材料光栅层凹槽与光学透明材料进行键合，形成相应的光子晶体纳米流体通道。光子晶体纳米流体传感器具有光子晶体的相关特性：能够与特定频率的波长产生共振，并且能够使纳米通道内的局域电场得到增强；所以，光子晶体纳米流体传感器能够应用于基于共振波长频移的无标识检测和基于局域电场增强的荧光增强检测。纳米流体结构具有体积小，同时具有巨大的表体面积比，能促进纳米通道中的分析物在较短的时间内光栅的纳米通道内表面进行测试。纳米流体的相关特性使其易于进行低浓度小分子、蛋白质、基因和DNA检测，具有检测精度高和耗时少的特点。同时，纳米流体通道的小体积是实现片上系统的核心部件。
目前，许多研究机构申请了光子晶体和纳米流体传感器研究方面的相关专利。例如，美国的Cunningham教授利用光子晶体作为传感器进行一系列生物化学分子检测；Brueck等人用纳米流体传感器进行生物化学分析实验，并应用于生物分子的分离与分析。
但是，目前光子晶体和纳米流体传感器的制备主要采用MEMS(微机电系统,Micro-Electro-Mechanical System)工艺，其制备过程需要在超净间实现，存在制备工艺过程复杂，制作耗时长，制备价格昂贵等特点；同时，采用MEMS工艺制备光子晶体的常用基片为硅晶片，其在可见光范围内不具有光学透明性，因此，在传感器测试过程中需要使用基于光子晶体的反射光谱进行测试，存在光学平台搭建复杂，测试难度较大等问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器及制备方法，其利用纳米铸模复制工艺制备出的光子晶体纳米流体传感器，制作工艺简单，制作成本低，并且可以大规模批量生产；同时由于所有材料均为光学透明材料，能够利用光子晶体的透射光谱进行相应的分析检测，结构简单且稳定性、可靠性高，可广泛应用于生物、化学及医学分析检测。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器，该传感器包括光子晶体结构和光学透明覆盖层，其中：
所述光子晶体结构包括玻璃基底、由紫外线固化物所形成的低折射率光栅层和沉积在所述光栅层上的高折射率材料层，所述光栅层由石英光栅母模板通过纳米复制成型得到，所述光学透明覆盖层设于所述材料层的上表面，其与所述光栅层的光栅凹槽形成纳米流体通道。
作为进一步优选的，所述玻璃基底包括彼此粘合的盖玻片和载玻片，其中所述盖玻片作为光子晶体纳米流体传感器的基底，而载玻片则作为紫外线固化物的基底。
作为进一步优选的，所述光子晶体纳米流体传感器具有光学透明性，可应用于透射光谱测试平台。
按照本发明的另一方面，提供了一种所述光子晶体纳米流体传感器的制备方法，包括如下步骤：
(1)制备具有光栅周期结构的石英光栅母模板；
(2)在经洗涤、干燥后的载玻片上旋涂紫外线固化物；
(3)加热所述石英光栅母模板，并在石英光栅母模板的光栅凹槽内滴入剥离胶，然后将旋涂有紫外线固化物的载玻片覆盖在所述石英光栅母模板上，并用紫外光对所述紫外线固化物进行固化；
(4)在所述载玻片的背面通过胶水粘贴作为光子晶体纳米流体传感器基底的盖玻片，并利用紫外光对胶水进行固化，然后剥离所述石英光栅母模板，由此获得由盖玻片和载玻片构成的玻璃基底以及由紫外线固化物形成的具有光栅周期结构的光栅层；
(5)在所述光栅层的光栅周期结构上沉积高折射率材料，以获得高折射率材料层；
(6)在所述高折射率材料层的表面粘贴光学透明覆盖层以使两者键合，具体的，高折射率材料层(其为薄膜层，例如TiO2薄膜层)的上表面在经过氧离子处理后，呈现出亲水性，而光学透明覆盖层的下表面具有粘性胶，当高折射率材料层的上表面与光学透明覆盖层下表面的粘结面两者接触在一起时，由于粘附力的存在，二者键合在一起；该光学透明覆盖层上刻蚀有纳米流体的出口和入口，其与光栅层的光栅凹槽之间形成纳米流体通道，由此制备获得所需的光子晶体纳米流体传感器。
作为进一步优选的，所述载玻片和盖玻片使用前两面均用丙酮、异丙醇、去离子化水以及异丙醇依次洗涤，然后利用氮气干燥，再置于氧离子腔中清除浮渣。
作为进一步优选的，所述在经洗涤、干燥后的载玻片上旋涂紫外线固化物具体为：将经洗涤、干燥后的载玻片置于旋涂机中，该旋涂机以3000转/分钟的转速旋转30秒，在该旋转过程中在载玻片上滴入10滴六甲基二硅烷形成粘合层，然后旋涂机继续以3000转/分钟的转速旋转30秒，在该旋转过程中利用移液管在所述粘合层上滴入紫外线固化物。
作为进一步优选的，步骤(3)中所述石英光栅母模板的具体加热温度为60°，该石英光栅母模板的光栅高度为100-200nm。
作为进一步优选的，所述高折射率材料层为ZnS、Si3N4、TiO2、ZnO或碲酸盐玻璃，其沉积厚度为50-200nm。
作为进一步优选的，所述光学透明覆盖层为3M胶片、PDMS、PMMA或SU8。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本发明所制备的光子晶体纳米流体传感器为基于纳米复制成型工艺，采用石英光栅母模板进行压印成型，具有制备简洁快速，制作精度高、成本低的特点。
2.本发明的纳米复制成型工艺使得所制备的传感器能够大批量生产，消除了利用MEMS工艺进行传感器制备的复杂工艺步骤，降低了制备难度。
3.本发明利用纳米复制成型工艺制备的光子晶体纳米流体传感器所用基底为玻璃等光学透明材料，制备出的传感器能够利用光子晶体的透射光谱进行分析检测，从而降低检测难度，提高检测稳定性。
4.本发明基于光子晶体的纳米流体传感器的共振波长能够根据高折射率材料层的沉积厚度进行调制，从而可以利用光子晶体的局域电场增强效应进行相应的荧光增强检测实验。
附图说明
图1为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器的横向结构示意图；
图2为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器制备方法的流程框图；
图3(a)-(d)为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器制备方法的原理图；
图4为本发明实施例的透射光谱随光子晶体与覆盖层键合距离变化图；
图5为本发明实施例的传感器共振波长随纳米通道折射率变化波谱图；
图6为本发明实施例的传感器透射光谱测试平台原理图；
图7为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器测试图；
图8为本发明实施例的基于波长637nm处的反射强度随入射角度变化图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明的基本原理是光子晶体结构采用纳米铸模压印工艺实现，其包括制备石英光栅母模板，利用紫外线聚合物固化胶复制压印出相应的光子晶体光栅结构，再将具有高折射率的薄膜层沉积于紫外线聚合物表面，从而快捷制备出相应的光子晶体结构，并将具有光学透明性的粘性材料与光子晶体的上表面进行直接键合，制备出相应的光子晶体纳米流体传感器。通过该设计方案，解决了利用MEMS工艺制备纳米传感器的制作难度大，加工成本昂贵，制备时间长，不易于大规模批量生产等一系列问题。
图1为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器的横向结构示意图，如图1所示，该传感器包括光子晶体结构和光学透明覆盖层4，所述光子晶体结构包括玻璃基底1、由紫外线固化物所形成的低折射率光栅层2，以及沉积在光栅层2上的高折射率材料层3，其中，光栅层2由石英光栅母模板5进行纳米复制成型工艺得到，所述光学透明覆盖层4设于材料层3的上表面，其与光栅层2的光栅凹槽形成纳米流体通道6。
图2为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器制备方法的流程框图，图3(a)-(d)为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器制备方法的原理图。其中，图3(a)为旋涂紫外线固化物步骤，此时紫外线固化物为液态，图3(b)为复制成型步骤，此时紫外线固化物为液态，图3(c)为紫外光固化及剥离步骤，此时紫外线固化物为固态，图3(d)为沉积高折射率材料层步骤，此时紫外线固化物为固态。
如图2和3(a)-(d)所示，该制备方法包括如下步骤：
(1)制备石英光栅母模板
利用深度紫外光刻法或反应离子束刻蚀技术制备出一块光子晶体结构的石英光栅晶片，其中光子晶体周期、光栅高度和占空比均由光栅模板所决定，具体的，该石英光栅母模板的光栅高度H为100-200nm。
(2)旋涂紫外线固化胶
准备一片盖玻片和载玻片待用，其中盖玻片作为光子晶体纳米流体传感器的基底，而载玻片则作为紫外线固化物的基底。具体的，首先准备一片75mm×25mm×1mm的盖玻片(NEXTERION)，一片70mm×22mm×0.17mm的载玻片(Thermal Scientific)，载玻片和盖玻片的两面均用丙酮、异丙醇、去离子化水以及异丙醇依次洗涤；然后利用N2干燥，再置于O2离子腔中清除浮渣(功率为300W，时间为3分钟)；将载玻片置于旋涂机中，滴入10滴HMDS(六甲基二硅烷)作为粘合层，旋涂机以3000转/分钟的转速旋转30秒；随后，利用移液管滴入纳米压印胶(Tran spin HE-0600，其为紫外线固化物)在HDMS之上，并以3000转/分钟的转速旋转30秒。
(3)纳米复制成型光栅结构
加热石英光栅母模板，并在石英光栅母模板的光栅凹槽内滴入剥离胶，然后将旋涂有紫外线固化物的载玻片覆盖在石英光栅母模板上，并用紫外光对所述紫外线固化物进行固化。
具体的，将具有光栅周期结构的主晶片(即石英光栅母模板)在电热板上加热至60度，利用注射器将2滴剥离胶(例如ZPUA，此为美国Gelest公司的产品，全名为ZIPCONE UA，初始状态为液态)滴入主晶片的光栅区域，以便于后续压印剥离，在60度温度下，ZPUA会自动流入光栅凹槽区域并覆盖整个光栅凹槽图案，将涂有HMDS和纳米压印胶的载玻片覆盖在主晶片上，并用紫外光进行固化。
(4)剥离操作
在载玻片的背面滴上胶水，例如NOA 601胶水(其为美国Norland公司的一种胶水)，随后将盖玻片贴在滴有NOA 601胶的载玻片之上，然后利用紫外光对胶水进行固化，最后剥离石英光栅母模板，完成之后，光栅结构就从主晶片上复制到了以载玻片为基底的紫外线固化物上，形成具有光栅周期结构的低折射率光栅层2，并且通过盖玻片和载玻片构成了传感器的玻璃基底1。具体的，剥离胶和纳米压印胶都为紫外线固化物，具有光栅形状的剥离胶(ZPUA)和其粘接层纳米压印胶(Tran spin HE-0600)固化后共同构成低折射率光栅层2。低折射率光栅层需要对可见光400nm-700nm的范围具有透射性，且为固态，其折射率系数被设为1.3<n<1.5。
(5)沉积高折射率材料层
将给定厚度的高折射率材料沉积在复制压印好的光栅周期结构之上，以获得高折射率材料层3，高折射率材料层需要对可见光具有非常高的透射性，其折射率系数n被设定为1.8<n<3.0。具体可采用Lesker PVD 75仪器，并在300W的功率和真空环境下运行25分钟，即可得到所需厚度。优选的，高折射率材料层3为ZnS(硫化锌)、Si3N4(氮化硅)、TiO2(二氧化钛)、ZnO(氧化锌)或碲酸盐玻璃，其沉积厚度h为50-200nm。
(6)键合纳米流体通道
在高折射率材料层3的表面粘贴光学透明覆盖层4，以使两者键合，该光学透明覆盖层4上刻蚀有纳米流体的出口和入口，其与光栅层2的光栅凹槽之间形成纳米流体通道5。具体的，首先在Inkscape上设计出纳米流体进/出口的具体位置及大小尺寸并将文件保存为pdf格式；随后将文件导入到激光切割机Epilog之内，并用激光切割技术在覆盖层上刻蚀出纳米流体出/入口；在切割出所需图形的覆盖层之后，将具有丙烯酸酯胶合剂的一面贴合在光子晶体结构的高折射率材料层3之上，并用N2枪辅助粘合，由光子晶体上表面光栅凹槽与覆盖层进行直接键合形成纳米流体通道，由此制备出基于纳米复制铸模工艺的光子晶体纳米流体传感器。优选的，光学透明覆盖层4为PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PMMA(聚甲基丙烯酸甲酯)、SU8(SU8是一种环氧树脂胶，经紫外线照射能由液态变为固态，也是一种常用的光刻胶)或3M透明胶层。
图4为本发明实施例的透射光谱随光子晶体与覆盖层键合距离变化图。纳米复制成型的光子晶体结构与覆盖层进行键合时，其键合效果可以依据共振波长投射光谱频移特性进行判定：当共振波长产生较大频移值时，光子晶体与覆盖层键合良好。如图4所示，当利用复制成型的光子晶体结构与覆盖层材料进行键合时，光子晶体上表面与覆盖层下表面之间的键合距离对传感器的共振波长会产生影响。由图4可知，当键合完好时，所设计的传感器共振波长位于618nm处；当键合面存在缝隙且大于50nm时，所设计传感器的共振波长将会停留在606nm处。通过测试共振波长频移与否，可以判定传感器的键合效果。
图5为本发明实施例的传感器共振波长随纳米通道折射率变化波谱图。通过测试传感器中纳米流体对共振波长频移值的影响，可以用于分析传感器纳米流体通道中的实验样品。当传感器的纳米通道内存在分析液体时，传感器的共振波长将随分析液浓度的变化而出现频移，由图5可知，当纳米通道内分析液的折射率系数从1.0,1.33,1.40依次变化时，传感器的透射光谱共振波长将从618nm依次频移到636nm，641nm。该模式可以作为对分析物进行无标识检测的依据。
图6为本发明实施例的传感器透射光谱测试平台原理图。本发明所设计的光子晶体纳米流体传感器具有光学透明性，因此，可以应用于结构简要，操作测试稳定的透射光谱测试平台。其基本过程如图6所示，包括一束白光经过准直透镜准直，偏振器偏振化为TE或TM模式，从而垂直入射到光子晶体纳米流体传感器表面，产生谐振的共振波长将会垂直反射，而其余波长将会投射过传感器，投射光谱波谷位置即为共振波长位置。透射光谱平台易于搭建，结构稳定，是测试过程中的重要手段。
图7为本发明实施例的光子晶体纳米流体传感器测试图。当未键合时，传感器的共振波峰值停留在611nm处；当罗丹明6G进入到未键合的光子晶体结构中时，传感器的共振波峰值红移到629.5nm；当罗丹明6G进入到键合好的光子晶体纳米流体传感器中时，传感器的共振波峰值频移到644nm。由此可知，根据光子晶体传感器的共振波峰随有效折射率系数而变化的原理，利用透射光谱平台可以测试光子晶体纳米流体传感器中纳米通道的流通性。
图8为本发明实施例的基于波长637nm处的反射强度随入射角度变化图。通过测试某一给定波长的归一化反射率强度值随入射光角度的变化，可以用于找出所制备传感器与该给定波长产生共振的光波入射角度。当归一化反射率强度最大值出现时，其对应的角度值即为共振条件下的光波入射角。如图8所示，首先确定入射角度平面垂直于光子晶体光栅方向，使激光光源的入射方向逐步从0度到8度调节激光光源的入射角度时，得到位于637纳米处的反射频谱强度图如图8所示。由图8可知，当激光光源的入射角度为3.64度时，反射光谱强度值最大，因此在此入射角度位置的光子晶体纳米流体传感器与激光光源具有最强共振形态。在确定好激光光源的最佳共振入射角度之后，可进行相应的基于最佳入射角度的光子晶体纳米流体传感器荧光增强实验。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于纳米复制成型的光子晶体纳米流体传感器，其具有光学透明性，可应用于透射光谱测试平台，并可利用透射光谱测试平台测试光子晶体纳米流体传感器中纳米流体通道的流通性，其特征在于，该传感器包括光子晶体结构和光学透明覆盖层(4)，其中：
所述光子晶体结构包括玻璃基底(1)、由紫外线固化物所形成的低折射率光栅层(2)和沉积在所述光栅层(2)上的高折射率材料层(3)，所述玻璃基底(1)包括彼此粘合的盖玻片和载玻片，其中所述盖玻片作为光子晶体纳米流体传感器的基底，而载玻片则作为紫外线固化物的基底，所述光栅层(2)由石英光栅母模板(5)通过纳米复制成型得到，其对400nm-700nm范围的可见光具有透射性且为固态，其折射率系数为n，满足1.3<n<1.5，该石英光栅母模板(5)的光栅高度为100-200nm，所述高折射率材料层(3)对可见光具有高的透射性，其折射率系数n为1.8<n<3.0，其沉积厚度h为50-200nm，所述光学透明覆盖层(4)设于所述材料层(3)的上表面且两者彼此键合，当光学透明覆盖层(4)与材料层(3)的上表面键合完好时，光子晶体纳米流体传感器的共振波长位于618m处，该光学透明覆盖层(4)与所述光栅层(2)的光栅凹槽形成纳米流体通道(6)；应用时，当纳米流体通道内分析液的折射率系数从1.0、1.33、1.40依次变化时，光子晶体纳米流体传感器的透射光谱共振波长将从618nm依次频移到636nm、641nm，其可作为对分析物进行无标识检测的依据；另通过测试光子晶体纳米流体传感器中纳米流体对共振波长频移值的影响，可分析光子晶体纳米流体传感器的纳米流体通道中的实验样品；此外，在确定好激光光源最佳共振入射角度后，可进行相应的基于最佳入射角度的光子晶体纳米流体传感器荧光增强实验。
2.一种如权利要求1所述的光子晶体纳米流体传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)制备具有光栅周期结构的石英光栅母模板；
(2)在经洗涤、干燥后的载玻片上旋涂紫外线固化物；
(3)加热所述石英光栅母模板，并在石英光栅母模板的光栅凹槽内滴入剥离胶，然后将旋涂有紫外线固化物的载玻片覆盖在所述石英光栅母模板上，并用紫外光对所述紫外线固化物进行固化；
(4)在所述载玻片的背面通过胶水粘贴作为光子晶体纳米流体传感器基底的盖玻片，并利用紫外光对胶水进行固化，然后剥离所述石英光栅母模板，由此获得由盖玻片和载玻片构成的玻璃基底(1)以及由紫外线固化物形成的具有光栅周期结构的光栅层(2)；
(5)在所述光栅层(2)的光栅周期结构上沉积高折射率材料，以获得高折射率材料层(3)；
(6)在所述高折射率材料层(3)的表面粘贴光学透明覆盖层(4)以使两者键合，该光学透明覆盖层(4)上刻蚀有纳米流体的出口和入口，其与光栅层(2)的光栅凹槽之间形成纳米流体通道(5)，由此制备获得所需的光子晶体纳米流体传感器。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述载玻片和盖玻片使用前两面均用丙酮、异丙醇、去离子化水以及异丙醇依次洗涤，然后利用氮气干燥，再置于氧离子腔中清除浮渣。
4.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述在经洗涤、干燥后的载玻片上旋涂紫外线固化物具体为：将经洗涤、干燥后的载玻片置于旋涂机中，该旋涂机以3000转/分钟的转速旋转30秒，在该旋转过程中在载玻片上滴入10滴六甲基二硅烷形成粘合层，然后旋涂机继续以3000转/分钟的转速旋转30秒，在该旋转过程中利用移液管在所述粘合层上滴入紫外线固化物。
5.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述石英光栅母模板的具体加热温度为60°，该石英光栅母模板的光栅高度为100-200nm。
6.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述高折射率材料层(3)为ZnS、Si3N4、TiO2、ZnO或碲酸盐玻璃，其沉积厚度为50-200nm。
7.根据权利要求2-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述光学透明覆盖层(4)为3M胶片、PDMS、PMMA或SU8。
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