CN109060725B - 具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构、制备方法和操作方法 - Google Patents

具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构、制备方法和操作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种具有纳米孔阵的法布里‑珀罗结构、制备方法和处理方法，该结构包括：依次设置的第一玻璃层、第一金膜、第二金膜和第二玻璃层；其中，第一金膜上设置有第一纳米孔阵，第二金膜上设置有第一通孔和第二通孔，第二玻璃层上设置有第三通孔和第四通孔；在第一金膜和第二金膜之间具有腔体，纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在腔体下侧，第一通孔、第三通孔、腔体、第四通孔和第二通孔连通，第一金膜和第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。本发明具有如下优点：金膜纳米孔阵配置成双层结构，通过金膜纳米孔阵产生超透射共振信号以增加信号强度，同时通过双层微腔可以提升信噪比，从而得到高质量的光学测量信号。

Description

具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构、制备方法和操作方法
技术领域
本发明涉及无标记生化分子检测技术领域，特别涉及一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构、制备方法和操作方法。
背景技术
基于等离子共振(SPR)技术的生化传感器在高精密生物分子检测中具有特殊优势。基于SPR技术的生物传感设备因为使用反射式测量，光路位于SPR芯片同一侧，对设备的小型化形成了障碍。最近，国际上出现了金膜纳米孔阵芯片结构，即在基底(一般为玻璃)上形成一层带有亚波长直径纳米孔阵的金膜。当光从芯片任意一侧入射时，在另一侧出射的光线会在某些特定波长处出现共振峰(称为超透射EOT)；如果金膜孔阵周围吸附的粒子量变化，则共振峰值波长会相应地发生偏移，偏移量与吸附量具有近似线性关系。利用此原理，因为入射和出射光分布在芯片两侧，且对光线角度要求不高，检测设备易于小型化，因此具有很好的前景。
经过十多年的发展，金膜纳米孔阵结构主要还是单层的。基于单层金膜纳米孔阵的生物传感技术的检测性能指标，如折射率灵敏度和品质因数等正逐渐趋于稳定，提升空间有限。
发明内容
本发明旨在至少解决上述技术问题之一。
为此，本发明的第一个目的在于提出一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，可以显著提高信号光质量，并且能够提高灵敏度。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，包括：第一玻璃层；形成在所述第一玻璃层之上的第一金膜，所述第一金膜上设置有第一纳米孔阵；形成在所述第一金膜之上的第二金膜，所述第二金膜上设置有第一通孔和第二通孔；形成在所述第二金膜之上的第二玻璃层，所述第二玻璃层上设置有第三通孔和第四通孔，所述第一通孔和所述第三通孔连通，所述第二通孔和所述第四通孔连通；其中，在所述第一金膜和所述第二金膜之间具有腔体，在所述腔体的外侧所述第一金膜和所述第二金膜通过粘接剂粘合，所述第一纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在所述腔体下侧，所述第三通孔、所述第一通孔、所述腔体、所述第二通孔和所述第四通孔连通，所述第一金膜和所述第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，将金膜纳米孔阵配置成双层结构，通过金膜纳米孔阵产生超透射共振信号以增加信号强度，同时通过双层金膜形成法布里-珀罗微腔反射层产生干涉效应以提升信噪比，从而得到高质量的光学测量信号。同时，利用双层金膜导电性好的特点，对双层金膜施加电压(直流或交流)，从而在腔内形成电场或介电场，促进粒子富集在纳米孔阵以增加吸附的速度和数量，提高检测速率和灵敏度。此外，利用微流控技术，把微腔做成微流道形式，控制样本流速，在样本流动状态下检测生化样本，解决测量环境中热效应带来的光信号基线偏移的问题，提高准确度。
另外，根据本发明上述实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，在所述第二金膜上设置有第二纳米孔阵，所述第二纳米孔阵位于所述第三通孔和所述第四通孔之间。
根据本发明的一个实施例，所述粘接剂为光刻胶。
本发明的第二个目的在于提出一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法，该操作方法可以对上述实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构中的双层金膜结构施加电场对粒子进行富集。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法，包括以下步骤：通过所述第三通孔和所述第一通孔向所述腔体内倒入被测液体；将所述第一金膜和所述第二金膜充当电极施加电场，以对所述被测液体中的粒子进行富集。
根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法，通过对具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构中的双层金膜结构施加电场，可以实现粒子进行富集。
另外，根据本发明上述实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，在对所述被测液体中的粒子进行富集的步骤之后，还包括：提供流体驱动装置和流体循环管路，其中，所述流体循环管路的一端依次通过所述第三通孔和所述第一通孔深入到所述腔体中，所述流体循环管路的另一端依次通过第四通孔和所述第二通孔深入到所述腔体中，所述流体驱动装置设置在所述流体循环管路上；检测所述被测液体在预设检测条件下峰值波长时，通过所述流体驱动装置控制所述被测液体在所述流体循环管路中流速，以消除热效应产生的检测误差。
本发明的第三个目的在于提出一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，该制备方法可以制备高质量光信号和高灵敏度的法布里-珀罗结构。
为了实现上述目的，本发明的实施例公开了一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，包括以下步骤：提供第一玻璃层；在所述第一玻璃层之上形成第一金膜；在所述第一金膜上形成第一纳米孔阵；提供第二玻璃层；在所述第二玻璃层之上形成第一通孔和第二通孔；在所述第二玻璃层之上形成第二金膜，所述第二金膜具有第三通孔和第四通孔，所述第一通孔和所述第三通孔连通，所述第二通孔和所述第四通孔连通；在所述第二金膜之上形成光刻胶层；将所述第二玻璃层与所述第二金膜键合；将所述第一金膜和所述第二金膜对准，并对所述第一玻璃层和所述第二玻璃层压合，以使第一玻璃层、所述第一金膜、所述光刻胶层、所述第二金膜和所述第二玻璃层顺序贴合；其中，在所述第一金膜和所述第二金膜之间具有腔体，所述第一纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在所述腔体下侧，所述第三通孔、所述第一通孔、所述腔体、所述第二通孔和所述第四通孔连通，所述第一金膜和所述第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，制备出的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，将金膜纳米孔阵配置成双层结构，通过金膜纳米孔阵产生超透射共振信号以增加信号强度，同时通过双层金膜形成法布里-珀罗微腔反射层产生干涉效应以提升信噪比，从而得到高质量的光学测量信号。同时，利用双层金膜导电性好的特点，对双层金膜施加电压(直流或交流)，从而在腔内形成电场或介电场，促进粒子富集在纳米孔阵以增加吸附的速度和数量，提高检测速率和灵敏度。此外，利用微流控技术，把微腔做成微流道形式，控制样本流速，在样本流动状态下检测生化样本，解决测量环境中热效应带来的光信号基线偏移的问题，提高准确度。
另外，根据本发明上述实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法还可以具有如下附加的技术特征：
根据本发明的一个实施例，在所述第一玻璃层之上形成第一金膜的步骤包括：在所述第一玻璃层之上通过溅射形成第一铬膜，所述第一铬膜在所述第一通孔和所述第二通孔的竖直投影位置上均开有通孔；在所述第一铬膜之上形成第一金膜。
根据本发明的一个实施例，在所述第一铬膜之上形成第一金膜的步骤包括：在所述第一铬膜之上以第一速率进行沉积溅射，以形成第一单元金膜；在所述第一单元金膜之上以第二速率进行沉积溅射，以形成第二单元金膜；其中，所述第一金膜包括所述第一单元金膜和所述第二单元金膜，所述第一速率大于所述第二速率。
根据本发明的一个实施例，在所述第一金膜上通过聚焦粒子束工艺以形成所述第一纳米孔阵。
根据本发明的一个实施例，在所述第二玻璃层之上形成所述第二金膜的步骤，包括：在所述第二玻璃层之上形成第二铬膜，所述第二铬膜在所述第三通孔和所述第四通孔的竖直投影位置上均开有通孔；在所述第二铬膜之上形成第二金膜。
根据本发明的一个实施例，在所述第二铬膜之上形成所述第二金膜的步骤，包括：在所述第二铬膜之上以第三速率进行沉积溅射，以形成第三单元金膜；在所述第三单元金膜之上以第四速率进行沉积溅射形成第四单元金膜；其中，所述第二金膜包括所述第三单元金膜和所述第四单元金膜，所述第三速率大于所述第四速率。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的结构示意图；
图2是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的工作原理图；
图3是使用本发明的双层金膜法布里-珀罗结构与使用相关技术中的单层金膜纳米孔阵结构的干涉透射谱对比图；
图4是本发明一个实施例的法布里-珀罗微腔中流体静止和流动条件下的峰值波长的动态偏移图
图5是本发明一个实施例的不同浓度的BSA蛋白溶液在介电泳效应下的峰值波长动态偏移图；
图6是本发明另一个实施例中具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的结构示意图；
图7是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法的流程图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以下结合附图描述根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构及其制备方法。
图1是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的结构示意图。如图1所示，本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，包括：第一玻璃层100、形成在第一玻璃层100之上的第一金膜200、形成在第一金膜200之上的第二金膜300和形成在第二金膜300之上的第二玻璃层400。其中，第一金膜200上设置有第一纳米孔阵210。第二金膜上设置有第一通孔310和第二通孔320。第二玻璃层400上设置有第三通孔410和第四通孔420，第一通孔310和第三通孔410连通，第二通孔320和第四通孔420连通。在第一金膜200和第二金膜300之间具有腔体500。在腔体500的外侧第一金膜200和第二金膜300通过粘接剂600粘合，粘接剂600可以为光刻胶。第一纳米孔阵210中至少的一部分孔阵设置在腔体500下侧。第三通孔410、第一通孔310、腔体500、第二通孔320和第二通孔420连通。第一金膜200和第二金膜300构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
图2是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的工作原理图。如图2所示，第一玻璃层100、第一金膜200、第二金膜300和第二玻璃层400平行放置。第一金膜200和第二金膜300的两侧相对距离为L，L定义为法布里-珀罗微腔的腔长。第一纳米孔阵210中的孔可以是各种不同的形状，包括圆形、三角形、矩形、不规则形状等。为方便起见，不失一般性，以下层金膜具有纳米圆孔孔阵为例，其孔阵沿着x/y轴均匀分布的间隔分别为a和b，则透射谱峰值波长为：
其中，整数i、j分别是x轴和y轴方向的共振级，εm和εd分别是金和被测介质的介电常数。
对腔长为L的法布里-珀罗微腔，上下两层反射率可视为相同的R，则透射光相对入射光的透过率为：
Figure BDA0001689845970000061
其中，
Figure BDA0001689845970000062
是光在法布里-珀罗微腔中往返一次所产生的相位差，n是法布里-珀罗微腔中介质的折射率，λ为特定的波长。当
Figure BDA0001689845970000063
(k为正整数，表示干涉级次；λk表示某个干涉级次的波长)时，最大透过率Tmax＝1，对应干涉明条纹；当
Figure BDA0001689845970000064
时，最小透过率Tmin＝[(1-R)/(1+R)]2，对应干涉暗条纹。法布里-珀罗微腔的干涉衬比度γ定义为：
Figure BDA0001689845970000065
当透过率最大时，由
Figure BDA0001689845970000066
可得n＝kλk/2L，在进行折射率传感检测时，k和L保持为常数，此时折射率的变化量为：
Figure BDA0001689845970000067
上式中，Δn为折射率的变化量，n0为法布里-珀罗微腔中被测介质折射率的初始值，λk0为k级干涉明纹初始波长，Δλk为k级干涉明纹峰值波长的偏移量。法布里-珀罗微腔k级干涉条纹的折射率灵敏度为：
Figure BDA0001689845970000068
在复色光入射的条件下，当复色光的两种波长λ1和λ2相差很大时，使得λ2的第k级干涉条纹与λ1的第k+1级干涉条纹重叠，引起了不同级次的条纹混淆，达不到分光之目的。所以，对于一个腔长固定的法布里-珀罗微腔，存在一个允许的最大分光波长差，称为自由光谱范围Δλf。在入射光垂直入射的条件下，λ2的第m级条纹与λ1的第m+1级条纹发生重叠时，其光程差相等，此时有：
(k+1)λ1＝kλ2＝k(λ1+Δλf) (6)
得出自由光谱范围Δλf的表达式如下：
Figure BDA0001689845970000069
在可见光范围内，腔长L越小，则自由光谱范围越大，对光谱的分辨能力也就越强，此为法布里-珀罗微腔相比于常规的腔长为毫米级或更大的法布里-珀罗腔的优势。
干涉峰的半值谱线宽度ΔλFWHM(即干涉峰谱线的半高全宽，单位为nm)是一个重要的参量，峰值波长λk处干涉峰的半值谱线宽度为：
Figure BDA0001689845970000071
根据品质因数(Figure Of Merit，FOM)的定义，基于法布里-珀罗微腔的折射率传感技术的品质因数的理论值为，
Figure BDA0001689845970000072
对于此结构，对应于入射白光，如果法布里-珀罗微腔中为去离子水，则在光谱仪端观测到的光谱信号相当于超透射(Extraordinary Optical Transmission，EOT)得到的透射谱线包络了干涉信号。透射谱线中的共振峰值波长由式1给出；干涉信号中干涉峰值波长之间的自由光谱可由式7给出，相应的半值谱线宽度由式8给出，品质因数由式9给出。
第一金膜200的厚度对透射干涉峰的影响主要在于光学信号的强度，过厚的金层会因为金属的皮肤深度而透过率太低，优选厚度为10～50nm。第二金膜300要满足纳米孔阵产生较好EOT现象，优选厚度为60～200nm。腔长L从自由光谱范围的角度看，越小越好，但是实际检测应用中腔长L太小不便于检测溶液的进入，因间距越小流阻越大；综合考虑，腔长L优选为6～20nm。
本发明还公开了一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法，包括以下步骤：
通过第三通孔和第一通孔向腔体内倒入被测液体；
将第一金膜和第二金膜充当电极施加电场，以对被测液体中的粒子进行富集。
根据本发明的一个实施例，在对被测液体中的粒子进行富集的步骤之后，还包括：
提供流体驱动装置和流体循环管路，其中，流体循环管路的一端依次通过第三通孔和第一通孔深入到腔体中，流体循环管路的另一端依次通过第四通孔和第二通孔深入到腔体中，流体驱动装置设置在流体循环管路上；
检测被测液体在预设检测条件下峰值波长时，通过流体驱动装置控制被测液体在流体循环管路中流速，以消除热效应产生的检测误差。
本申请通过以下实施例来说明纳米孔阵的法布里-珀罗结构的有益效果。
图3是使用本发明的双层金膜法布里-珀罗结构与使用相关技术中的单层金膜纳米孔阵结构的干涉透射谱对比图。如图3所示，在微腔500中注入去离子水，测量得出法布里-珀罗微腔纳米孔阵结构与单层纳米孔阵光谱信号。可见上层为20nm厚的金膜且基底为玻璃的法布里-珀罗微腔式金膜纳米孔阵的透射谱受到单层金膜纳米孔阵透射谱的调制包络，其干涉谱中存在一系列分立的干涉峰，且自由光谱范围随着波长的增大而增大，这与法布里-珀罗微腔干涉峰的自由光谱范围的公式7推导出的结果吻合。此外，从图3中可以看出法布里-珀罗微腔式双层金膜纳米孔阵干涉峰的半高全宽相比单层金膜得到近10倍的缩小，表明品质因数相应得到近10倍增加。
理论上，在光谱仪可测光谱范围内的任何一个干涉峰都可以用于折射率传感测量，但是为了让折射率灵敏度尽可能的高，一般选择波长更大的干涉峰。从公式5得出干涉谱中每个干涉峰均对应了随波长增大的折射率灵敏度。在实际测量中，还要考虑受单层金膜纳米孔阵调制的EOT干涉峰的光强：干涉峰的光强越大，则检测时信噪比越高。因此可选择处于单层金膜纳米孔阵金水(1,0)级共振峰包络下光强最大的干涉峰，用于实际检测。
通过上下两层中的金膜充当电极，可以给法布里-珀罗微腔内施加电场，从而对液体中的粒子进行富集。以介电泳为例，对于腔长为10μm的法布里-珀罗微腔，在正介电泳作用下，介电泳力作用范围非常有限，在超过表面EOT有效近场作用范围(约200nm)后，电场力几乎可以忽略，因此仍然只是吸附在纳米孔阵周围的粒子能够被检测到，从而保证检测的正确性。
在检测中，典型的热效应来自于光源照射或者电极通电，两者产生的热量会使法布里-珀罗微腔中的温度升高，并导致介质的折射率减小，折射率减小会引起透射谱包括谱峰蓝移，引起基线误差。为了消除法布里-珀罗微腔中的热效应导致的光谱蓝移测量误差，采用流体流动带走热量的方法来进行消除。其方法为计算出合适的流速，使得在一个测量周期内，纳米孔阵工作区域上方的这段样本被完全冲走。通过实例实验验证了热效应和影响消除。采用静止和流动的去离子水(电导率为0.95μs/cm)的对照检测实验。先让法布里-珀罗微腔中泵入去离子水，时长共计500s，流速维持为10μL/min。这段时间观察到特征干涉峰的峰值波长保持稳定。随后让微流泵停止，使去离子水静止，此时特征干涉峰的峰值波长随时间发生蓝移，在2500s的时候蓝移量接近稳定。最后再打开微流泵，将体积流量恢复为10μL/min，此时透射谱干涉峰的峰值波长瞬间回归到初始体积流量为10μL/min时的稳定值，峰值波长偏移量回归到0。整个测量过程中信号记录如图4所示，结果说明了两个问题：一是热效应会使法布里-珀罗微腔中介质的折射率产生影响，二是检测样本流动可带走热量，从而有效消除热效应的影响。
下面的实例实验验证了在介电泳作用下BSA蛋白溶液的吸附加快、灵敏度增加。实验过程中，BSA溶液以10μL/min的流量流经法布里-珀罗微腔式双层金膜纳米孔阵，以消除热效应对检测信号的影响。实验使用了四种低浓度的BSA蛋白溶液，浓度值分别为0pM(即去离子水)，1pM，10pM，100pM。介电泳频率设置为1MHz，电压峰峰值设置为1V。为展示出介电泳的作用，实验中先不加介电泳持续测量500s，之后再加介电泳持续测量更长的时间达1250s。
实验结果如图5所示，从图5中可见在没有介电泳力作用时(0-500s)，对四种低浓度的BSA蛋白溶液，特征干涉峰的峰值波长均保持稳定，即峰值波长偏移量为0，此时BSA蛋白在金膜纳米孔阵上的吸附不可测(检测灵敏度为0)。在施加介电泳力的条件下(500-1750s)，去离子水溶液(BSA蛋白浓度为0pM)因为没有BSA蛋白粒子可供吸附，其透射谱中特征干涉峰的峰值波长仍然保持不变；相比之下，BSA蛋白浓度为1pM，10pM，100pM的去离子水溶液的干涉峰峰值波长红移量分别为0.352nm，1.768nm，5.647nm，达到检测平衡的时间分别为80s，100s和400s。可见，在介电泳力的作用下，去离子水的特征干涉峰的峰值波长无变化，BSA蛋白溶液的峰值波长则会发生红移，且BSA蛋白浓度越高，相应的峰值波长的红移量也就越大，峰值波长达到平衡的时间也越长。相比无介电泳时BSA蛋白吸附检测信号为0的情况，加介电泳后，浓度为1pM，10pM，100pM的BSA蛋白溶液吸附检测信号均大大增加，即加介电泳后可以检测到更低浓度的BSA蛋白溶液，检测的灵敏度得到有效提高。
图6是本发明另一个实施例中具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的结构示意图。如图6所示，该实施例中，在第二金膜300上设置有第二纳米孔阵330，第二纳米孔阵330位于第三通孔310和第四通孔320之间。
根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，将金膜纳米孔阵配置成双层结构，通过金膜纳米孔阵产生超透射共振信号以增加信号强度，同时通过双层金膜形成法布里-珀罗微腔反射层产生干涉效应以提升信噪比，从而得到高质量的光学测量信号。同时，利用双层金膜导电性好的特点，对双层金膜施加电压(直流或交流)，从而在腔内形成电场或介电场，促进粒子富集在纳米孔阵以增加吸附的速度和数量，提高检测速率和灵敏度。此外，利用微流控技术，把微腔做成微流道形式，控制样本流速，在样本流动状态下检测生化样本，解决测量环境中热效应带来的光信号基线偏移的问题，提高准确度。
图7是本发明一个实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法的流程图。如图7所示，本发明的实施例还公开了一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，包括以下步骤：
A1：提供第一玻璃层。
具体地，制作第一玻璃层并对第一玻璃层进行清洗。清洗的方式为：将第一玻璃层在重铬酸钾溶液中浸泡24h后，依次用丙酮超声5min，酒精超声5min，去离子水超声两次每次5min，最后放到150℃热板上烘烤2h。
A2：在第一玻璃层之上形成第一金膜。
在本发明的一个实施例中，步骤A2包括：
A2-1：在第一玻璃层之上通过溅射形成第一铬膜，第一铬膜在第一通孔和第二通孔的竖直投影位置上均开有通孔。其中，第一铬膜用于粘接第一玻璃层和第一金膜。
A2-2：在第一铬膜之上形成第一金膜。
具体地，在第一铬膜之上以第一速率进行沉积溅射，以形成第一单元金膜；在第一单元金膜之上以第二速率进行沉积溅射，以形成第二单元金膜。其中，第一金膜包括第一单元金膜和第二单元金膜，第一速率大于第二速率。位于上侧的第二单元金膜用于对光线进行反射，因此使用比第一速率更低的第二速率进行溅射，可以使第二单元金膜表面光滑致密，提升反射效果。
在本发明的一个示例中，使用JR-2B型溅射刻蚀机先在玻璃上溅射5nm的铬，再溅射100nm厚的金膜，前30nm金膜按照4nm/min的沉积速度溅射(射频功率50W，真空度0.1Pa，氩气流量80sccm，溅射时间7分30秒)，后70nm按照9nm/min的沉积速度溅射(射频功率100W，真空度0.1Pa，氩气流量80sccm，溅射时间7分47秒)。
A3：在第一金膜上形成第一纳米孔阵。
在本发明的一个实施例中，在第一金膜上通过聚焦粒子束(Focused Ion Beam，FIB)工艺以形成第一纳米孔阵。孔阵数量80×80，单孔直径为200nm，孔阵的横竖间隔(a/b)为500nm。
B1：提供第二玻璃层。
具体地，制作第二玻璃层并对第二玻璃层进行清洗。清洗的方式为：将第二玻璃层在重铬酸钾溶液中浸泡24h后，依次用丙酮超声5min，酒精超声5min，去离子水超声两次每次5min，最后放到150℃热板上烘烤2h。
B2：在第二玻璃层之上形成第一通孔和第二通孔。
具体地，使用带有玻璃钻头的台钻在玻璃基底上分别钻两个直径为3mm的圆孔，以用作流道的入口和出口，两个圆孔的圆心距为12mm。
B3：在第二玻璃层之上形成第二金膜。第二金膜具有第三通孔和第四通孔。其中，第一通孔和第三通孔连通，第二通孔和第四通孔连通。
在本发明的一个实施例中，步骤A2包括：
B3-1：在第二玻璃层之上形成第二铬膜，第二铬膜在第三通孔和第四通孔的竖直投影位置上均开有通孔。其中，第二铬膜用于粘接第二玻璃层和第二金膜。
B3-2：在第二铬膜之上形成第二金膜。
具体地，在第二铬膜之上以第三速率进行沉积溅射，以形成第三单元金膜；在第三单元金膜之上以第四速率进行沉积溅射形成第四单元金膜。其中，第二金膜包括第三单元金膜和第四单元金膜，第三速率大于第四速率。位于上侧的第四单元金膜用于对光线进行反射，因此使用比第三速率更低的第四速率进行溅射，可以使第四单元金膜表面光滑致密，提升反射效果。
在本发明的一个示例中，使用JR-2B型溅射刻蚀溅射5nm的铬膜，再溅射20nm厚的金膜，按照4nm/min的沉积速度溅射(射频功率50W，真空度0.1Pa，氩气流量80sccm，溅射时间5分钟)。
B4：在第二金膜之上形成光刻胶层。
具体地，使用厚度为10μm的光刻胶层。
B5：将第二玻璃层与第二金膜键合。
具体地，将光刻胶层通过热压键合(覆膜机，温度设为100℃)；使用H94-37型双面光刻机对刚贴覆在第二金膜上的光刻胶层进行曝光，曝光时间15秒(波长365nm光源的光功率为7.8mJ/cm2)，随后放在150℃的热板上坚膜半小时；将分别带有入口和出口(直径1mm)的两个PDMS方块(5mm×5mm×5mm)和第二玻璃层一侧放在等离子体清洗机(JSD200)下进行清洗处理，功率25W，时间45s。然后将带有入口和出口的两个PDMS方块分别与上层玻璃基底上的两个直径为3mm的圆孔进行对准键合。
C：将第一金膜和第二金膜对准，并对第一玻璃层和第二玻璃层使用一对环状(中心带孔)的强磁铁将其夹紧压合，以使第一玻璃层、第一金膜、光刻胶层、第二金膜和第二玻璃层顺序贴合。其中，在第一金膜和第二金膜之间具有腔体，纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在腔体下侧，第一通孔、第三通孔、腔体、第四通孔和第二通孔连通，第一金膜和第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
根据本发明实施例的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，制备出的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，将金膜纳米孔阵配置成双层结构，通过金膜纳米孔阵产生超透射共振信号以增加信号强度，同时通过双层金膜形成法布里-珀罗微腔反射层产生干涉效应以提升信噪比，从而得到高质量的光学测量信号。同时，利用双层金膜导电性好的特点，对双层金膜施加电压(直流或交流)，从而在腔内形成电场或介电场，促进粒子富集在纳米孔阵以增加吸附的速度和数量，提高检测速率和灵敏度。此外，利用微流控技术，把微腔做成微流道形式，控制样本流速，在样本流动状态下检测生化样本，解决测量环境中热效应带来的光信号基线偏移的问题，提高准确度。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同限定。

Claims (10)

1.一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，其特征在于，包括：
第一玻璃层；
形成在所述第一玻璃层之上的第一金膜，所述第一金膜上设置有第一纳米孔阵；
形成在所述第一金膜之上的第二金膜，所述第二金膜上设置有第一通孔和第二通孔；
形成在所述第二金膜之上的第二玻璃层，所述第二玻璃层上设置有第三通孔和第四通孔，所述第一通孔和所述第三通孔连通，所述第二通孔和所述第四通孔连通；
其中，在所述第一金膜和所述第二金膜之间具有腔体，在所述腔体的外侧所述第一金膜和所述第二金膜通过粘接剂粘合，所述第一纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在所述腔体下侧，所述第三通孔、所述第一通孔、所述腔体、所述第二通孔和所述第四通孔连通，所述第一金膜和所述第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
2.根据权利要求1所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，其特征在于，在所述第二金膜上设置有第二纳米孔阵，所述第二纳米孔阵位于所述第三通孔和所述第四通孔之间。
3.根据权利要求1所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构，其特征在于，所述粘接剂为光刻胶。
4.一种基于权利要求1-3任一项所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的操作方法，其特征在于，包括以下步骤：
通过所述第三通孔和所述第一通孔向所述腔体内倒入被测液体；
将所述第一金膜和所述第二金膜充当电极施加电场，以对所述被测液体中的粒子进行富集。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，在对所述被测液体中的粒子进行富集的步骤之后，还包括：
提供流体驱动装置和流体循环管路，其中，所述流体循环管路的一端依次通过所述第三通孔和所述第一通孔深入到所述腔体中，所述流体循环管路的另一端依次通过第四通孔和所述第二通孔深入到所述腔体中，所述流体驱动装置设置在所述流体循环管路上；
检测所述被测液体在预设检测条件下峰值波长时，通过所述流体驱动装置控制所述被测液体在所述流体循环管路中流速，以消除热效应产生的检测误差。
6.一种具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第一玻璃层；
在所述第一玻璃层之上形成第一金膜；
在所述第一金膜上形成第一纳米孔阵；
提供第二玻璃层；
在所述第二玻璃层之上形成第一通孔和第二通孔；
在所述第二玻璃层之上形成第二金膜，所述第二金膜具有第三通孔和第四通孔，所述第一通孔和所述第三通孔连通，所述第二通孔和所述第四通孔连通；
在所述第二金膜之上形成光刻胶层；
将所述第二玻璃层与所述第二金膜键合；
将所述第一金膜和所述第二金膜对准，并对所述第一玻璃层和所述第二玻璃层压合，以使第一玻璃层、所述第一金膜、所述光刻胶层、所述第二金膜和所述第二玻璃层顺序贴合；
其中，在所述第一金膜和所述第二金膜之间具有腔体，所述纳米孔阵中至少的一部分孔阵设置在所述腔体下侧，所述第一通孔、所述第三通孔、所述腔体、所述第四通孔和所述第二通孔连通，所述第一金膜和所述第二金膜构成法布里珀罗结构的第一反射面和第二反射面。
7.根据权利要求6所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，其特征在于，在所述第一玻璃层之上形成第一金膜的步骤包括：
在所述第一玻璃层之上通过溅射形成第一铬膜，所述第一铬膜在所述第一通孔和所述第二通孔的竖直投影位置上均开有通孔；
在所述第一铬膜之上形成第一金膜。
8.根据权利要求7所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，其特征在于，在所述第一铬膜之上形成第一金膜的步骤包括：
在所述第一铬膜之上以第一速率进行沉积溅射，以形成第一单元金膜；
在所述第一单元金膜之上以第二速率进行沉积溅射，以形成第二单元金膜；
其中，所述第一金膜包括所述第一单元金膜和所述第二单元金膜，所述第一速率大于所述第二速率。
9.根据权利要求6所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，其特征在于，在所述第二玻璃层之上形成所述第二金膜的步骤，包括：
在所述第二玻璃层之上形成第二铬膜，所述第二铬膜在所述第三通孔和所述第四通孔的竖直投影位置上均开有通孔；
在所述第二铬膜之上形成第二金膜。
10.根据权利要求9所述的具有纳米孔阵的法布里-珀罗结构的制备方法，其特征在于，在所述第二铬膜之上形成所述第二金膜的步骤，包括：
在所述第二铬膜之上以第三速率进行沉积溅射，以形成第三单元金膜；
在所述第三单元金膜之上以第四速率进行沉积溅射形成第四单元金膜；
其中，所述第二金膜包括所述第三单元金膜和所述第四单元金膜，所述第三速率大于所述第四速率。
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