CN112731588B - 零模波导孔结构及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种零模波导孔结构及其制备方法，涉及单分子检测技术领域。零模波导孔结构包括：透明衬底层；光纤波导层，设于透明衬底层的上侧；金属层，设于光纤波导层的上侧，金属层设有上下贯通的零模波导孔，零模波导孔的侧壁和光纤波导层的上端面共同限定出容置槽；以及，键合层，覆盖金属层的上侧面以及零模波导孔的侧壁设置，且键合层与金属层键合连接。在零模波导孔内设置与金属层键合连接的键合层，缩小零模波导孔的孔内体积，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比，此外，键合层可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。

Description

零模波导孔结构及其制备方法
技术领域
本发明涉及单分子检测技术领域，特别涉及一种零模波导孔结构及其制备方法。
背景技术
零模波导(Zero-mode waveguides，ZMWs)作为一种新型的单分子检测器件，在减小光学设备的观测体积及提高检测铜梁方面均具有极好的效果，ZMWs可以用来进行单分子DNA测序、生物膜研究、生物大分子之间的相互作用研究、单分子反应动力学研究等，ZMWs已经成为人们在单分子水平进一步研究和认识生物分子工作机制的重要研究工具。
ZMWs纳米结构由密集的孔阵列组成，在透明衬底(例如二氧化硅)上沉积100纳米金属膜。每个零模波导孔变成一个纳米光子可视化室，用于记录单个聚合反应，提供的检测体积比衍射限制共焦显微镜提高1000倍，使得在荧光标记核苷酸扩散的背景下观察单核苷酸掺入事件成为可能，ZMWs的另一个重要组成部分是磷酸连接核苷酸，其荧光标签通常通过连接体连接到末端磷酸盐而不是碱基。用磷酸连接的核苷酸100％取代未修饰的核苷酸，这是因为酶在结合过程中分解荧光团，留下一个完全天然的双链核酸。
目前，零模波导孔还存在以下问题，孔内游离的核苷酸较多，对荧光信号检测产生干扰，信噪比低，荧光在被激发时越靠近金属孔壁产生的效果越弱，当完全靠近时会发生荧光淬灭，荧光强度较难控制。
发明内容
本发明的主要目的是提出一种零模波导孔结构及其制备方法，旨在提供一种性能优良的零模波导孔结构。
为实现上述目的，本发明提出一种零模波导孔结构，包括：
透明衬底层；
光纤波导层，设于所述透明衬底层的上侧；
金属层，设于所述光纤波导层的上侧，所述金属层设有上下贯通的零模波导孔，所述零模波导孔的侧壁和所述光纤波导层的上端面共同限定出容置槽；以及，
键合层，覆盖所述金属层的上侧面以及所述零模波导孔的侧壁设置，且所述键合层与所述金属层键合连接。
可选地，所述金属层的厚度为90～110nm；和/或，
所述透明衬底层的材质包括石英玻璃。
可选地，所述键合层的材质包括聚二甲基硅氧烷。
可选地，所述键合层的厚度为3～5nm。
本发明进一步提出一种如上所述的零模波导孔结构的制备方法，包括以下步骤：
S10、在透明衬底层上形成光纤波导层；
S20、在所述光纤波导层的上侧面的中心设置胶柱；
S30、在所述光纤波导层的上侧沉积形成金属层，所述金属层环绕所述胶柱设置；
S40、将所述胶柱去除，以在所述金属层中心形成零模波导孔；
S50、在所述金属层的上侧涂覆键合物质，并使所述键合物质填充所述零模波导孔，经固化处理得到固化层；
S60、对所述固化层进行紫外光照射，以使所述固化层分为与所述金属层键合连接的键合层及位于所述键合层背离所述金属层一侧的剥离层；
S70、除去所述剥离层，得到零模波导孔结构。
可选地，步骤S20具体包括：
S21、提供模板，所述模板的下侧具有凹槽；
S22、在所述光纤波导层上涂覆紫外固化胶，将所述模板置于所述光纤波导层的上方后向下压紧直至所述模板的下侧面与所述光纤波导层的上侧面直接或者间接抵接，以使至少部分所述紫外固化胶填充所述凹槽；
S23、将紫外固化胶固化处理后，取下所述模板，得到位于所述光纤波导层上侧的中心的胶柱。
可选地，步骤S23包括：
将所述紫外固化胶用辐照度为80～100mW/cm2的紫外线照射30～60s，使所述紫外固化胶固化，取下所述模板，得到位于所述光纤波导层上侧的中心的胶柱。
可选地，在步骤S40中，所述胶柱的去除方法为：将所述胶柱浸入有机溶剂中，以使所述胶柱溶解于所述有机溶剂中。
可选地，所述有机溶剂包括四氢呋喃。
可选地，在步骤S60中，所述紫外光照射的条件为：紫外光波长为250～255nm，照射时间为1～3min。
本发明的技术方案中，提出一种零模波导孔结构，零模波导孔结构包括透明衬底层、光纤波导层、金属层以及键合层，通过在零模波导孔内设置与金属层键合连接的键合层，缩小零模波导孔的孔内体积，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比，此外，键合层可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。本发明提出的零模波导孔结构，灵敏度和信噪比高，性能优越。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明提出的零模波导孔结构的一实施例的示意图；
图2为图1所示的零模波导孔结构的制备过程示意图；
图3为图2中胶柱的制备过程示意图。
附图标号说明：
Figure BDA0002910685400000031
Figure BDA0002910685400000041
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。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。
需要说明，若本发明实施例中有涉及方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后、外、内……)，则该方向性指示仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，若本发明实施例中有涉及“第一”、“第二”等的描述，则该“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中出现的“和/或”的含义，包括三个并列的方案，以“A和/或B”为例，包括A方案、或B方案、或A和B同时满足的方案。另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
目前，零模波导孔还存在以下问题，孔内游离的核苷酸较多，对荧光信号检测产生干扰，信噪比低，荧光在被激发时越靠近金属孔壁产生的效果越弱，当完全靠近时会发生荧光淬灭，荧光强度较难控制。
鉴于此，本发明提出一种零模波导孔结构及其制备方法，旨在制备一种提供一种性能优良的零模波导孔结构。本发明附图中，图1为本发明提出的零模波导孔结构的一实施例的示意图；图2为图1所示的零模波导孔结构的制备过程示意图；图3为图2中胶柱的制备过程示意图。
请参阅图1，本发明提出一种零模波导孔结构，包括透明衬底层1、光纤波导层2、金属层3和键合层4，其中，光纤波导层2设于透明衬底层1的上侧；金属层3设于光纤波导层2的上侧，金属层3设有上下贯通的零模波导孔，零模波导孔的侧壁和光纤波导层2的上端面共同限定出容置槽；键合层4覆盖金属层3的上侧面以及零模波导孔的侧壁设置，且键合层4与金属层3键合连接。
可以理解的是，键合是指键合层4与金属层3通过范德华力、分子力甚至原子力键合成为一体，该连接方式更为紧密、牢固。
本发明的技术方案中，提出一种零模波导孔结构，零模波导孔结构包括透明衬底层1、光纤波导层2、金属层3以及键合层4，通过在零模波导孔内设置与金属层3键合连接的键合层4，缩小零模波导孔的孔内体积，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比，此外，键合层4可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。本发明提出的零模波导孔结构，灵敏度和信噪比高，性能优越。
对于上述各层的厚度，本发明不做限制，优选地，金属层3的厚度为90～110nm，更优选地，金属层3的厚度为100nm，上述厚度下，零模波导孔结构的各方面性能较好。
此外，优选地，键合层4的厚度为3～5nm，更优选为4nm，如此，使得荧光激发区域更加靠近中央，荧光不会减弱甚至发生淬灭；同时，可以实现增强荧光与保证酶活性之间的最佳平衡，零模波导孔的孔内体积也更为恰当，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比。
可以理解的是，上述金属层3和键合层4的厚度范围可以同时满足，也可以只满足其中一个，而作为本发明的优选实施例，上述两个厚度范围同时满足，如此，显著减少零模波导孔内的游离核苷酸，提高信噪比，此外，键合层4可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏。
透明衬底层1的材质，本发明也不做限制，优选地，透明衬底层1的材质包括石英玻璃，石英玻璃具有很好的光学透过性，使得零模波导孔结构测量更加准确。
此外，优选地，键合层4的材质为高折射率非反射层材料，如此可以缩小零模波导孔的孔内体积，显著减少孔内的游离核苷酸，提高信噪比；此外高折射率非反射层材料可以使被激发荧光的位置远离零模波导孔的金属壁，使荧光不会减弱甚至淬灭，荧光效果增强的同时也使得检测更加灵敏；选取适当的高折射率非反射层材料以及沉积厚度(即控制孔内样本与非反射壁的折射率)，可以在增强荧光与保证酶活性之间获得最佳平衡。
具体地，键合层4的材质包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高分子有机硅化合物，通常被称为有机硅，具有光学透明，且在一般情况下，被认为是惰性，无毒，不易燃。PDMS能够很好地与石英玻璃键合，键合PDMS后的零模波导孔内体积较原有样品孔内体积明显减小，孔内游离的核苷酸数量显著下降，背景荧光降低信噪比提高；同时键合PDMS后的零模波导孔使得荧光激发区域更加靠近中央，荧光不会减弱甚至发生淬灭；此外，可以通过控制PDMS的厚度来调整中央区域荧光强度，来确保在增强荧光的同时保证酶的活性。
请参阅图2和图3，本发明进一步提出一种如上所述的零模波导孔结构的制备方法，包括以下步骤：
S10、在透明衬底层1上形成光纤波导层2；
S20、在所述光纤波导层2的上侧面的中心设置胶柱7；
优选地，在设置胶柱7之前，可以先清洗透明衬底层1和光纤波导层2，可采用H2SO4和H2O2(体积比3：1)溶液中清洗，之后再用水清洗，最后干燥。
具体地，在本步骤S20中，在光纤波导层2的上侧面的中心设置胶柱7，形成图2(a)中所示的结构，对于胶柱7如何形成，本发明不做限制，优选地，请参阅图3，步骤S20具体包括：
S21、提供模板8，所述模板8的下侧具有凹槽；
S22、在所述光纤波导层2上涂覆紫外固化胶9，如图3(g)所示，紫外固化胶9的厚度优选为300nm，大于金属层3的厚度，之后将所述模板8置于所述光纤波导层2的上方后向下压紧直至所述模板8的下侧面与所述光纤波导层2的上侧面直接或者间接抵接，以使至少部分所述紫外固化胶9填充所述凹槽，如图3(f)所示；
将模板8的下侧面与所述光纤波导层2的上侧面直接或者间接抵接，可以用虎钳在1MPa的恒定压力下将模板8压在紫外固化胶9上，使得两者固定的更加紧密、稳定。
S23、将紫外固化胶9固化处理后，取下所述模板8，得到位于所述光纤波导层2上侧的中心的胶柱7，如图3(h)所示。
进一步地，步骤S23包括：
将所述紫外固化胶9用辐照度为80～100mW/cm2的紫外线10照射30～60s，使所述紫外固化胶9固化，取下所述模板8，得到位于所述光纤波导层2上侧的中心的胶柱7。
可以理解的是，由于透明衬底层1和光纤波导都是透光的，固化时，可以用紫外线10从各个角度，如透明衬底层1下侧、紫外固化胶9上侧等对紫外固化胶9进行照射，有利于紫外固化胶9均匀固化。
紫外固化胶9经固化后，模板8的下侧面与所述光纤波导层2的上侧面之间也可能会残留一部分固化的紫外固化胶9，在固化后，可将上述多余的紫外固化胶9清除。
S30、在所述光纤波导层2的上侧沉积形成金属层3，所述金属层3环绕所述胶柱7设置，如图2(b)所示；具体地，可以采用真空蒸发系统在光纤波导层2的上侧沉积形成金属层3。
S40、将所述胶柱7去除，以在所述金属层3中心形成零模波导孔，如图2(c)所示；
优选地，在本步骤中，所述胶柱7的去除方法为：将所述胶柱7浸入有机溶剂中，以使所述胶柱7溶解于所述有机溶剂中。根据相似相溶原理，使得胶柱7去除地更加彻底。
更优选地，有机溶剂包括四氢呋喃，四氢呋喃作为溶剂，具有低毒、低沸点、流动性好等特点。
S50、在所述金属层3的上侧涂覆键合物质，并使所述键合物质填充所述零模波导孔，经固化处理得到固化层6，如图2(d)所示；
S60、对所述固化层6进行紫外光照射，以使所述固化层6分为与所述金属层3键合连接的键合层4及位于所述键合层4背离所述金属层3一侧的剥离层5，如图2(e)所示；
在本步骤中，优选地，所述紫外光照射的条件为：紫外光波长为250～255nm，照射时间为1～3min。更优选地，紫外光波长为254nm，照射时间为2min，使得PDMS与金属层3均匀地键合连接。
可以理解的是，由于透明衬底层1和光纤波导都是透光的，紫外光照射时，可以用紫外线从各个角度，如透明衬底层1的下侧、固化层6的上侧等对固化层6进行照射，有利于形成均匀的键合层4。
S70、除去所述剥离层5，得到零模波导孔结构，如图2(f)所示。
本发明上述制备方法，可以直接在纳米压印仪器中完成，方案简便易操作，得到的零模波导孔结构，具备了上述零模波导孔结构的全部有益效果，在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (8)

1.一种零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，所述零模波导孔结构包括：
透明衬底层；
光纤波导层，设于所述透明衬底层的上侧；
金属层，设于所述光纤波导层的上侧，所述金属层设有上下贯通的零模波导孔，所述零模波导孔的侧壁和所述光纤波导层的上端面共同限定出容置槽；以及，
键合层，覆盖所述金属层的上侧面以及所述零模波导孔的侧壁设置，且所述键合层与所述金属层键合连接；
所述零模波导孔结构的制备方法包括以下步骤：
S10、在所述透明衬底层上形成光纤波导层；
S21、提供模板，所述模板的下侧具有凹槽；
S22、在所述光纤波导层上涂覆紫外固化胶，将所述模板置于所述光纤波导层的上方后向下压紧直至所述模板的下侧面与所述光纤波导层的上侧面直接或者间接抵接，以使至少部分所述紫外固化胶填充所述凹槽；
S23、将紫外固化胶固化处理后，取下所述模板，得到位于所述光纤波导层上侧的中心的胶柱；
S30、在所述光纤波导层的上侧沉积形成所述金属层，所述金属层环绕所述胶柱设置；
S40、将所述胶柱去除，以在所述金属层中心形成所述零模波导孔；
S50、在所述金属层的上侧涂覆键合物质，并使所述键合物质填充所述零模波导孔，经固化处理得到固化层；
S60、对所述固化层进行紫外光照射，以使所述固化层分为与所述金属层键合连接的所述键合层及位于所述键合层背离所述金属层一侧的剥离层；
S70、除去所述剥离层，得到所述零模波导孔结构。
2.如权利要求1所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，步骤S23包括：
将所述紫外固化胶用辐照度为80～100mW/cm2的紫外线照射30～60s，使所述紫外固化胶固化，取下所述模板，得到位于所述光纤波导层上侧的中心的胶柱。
3.如权利要求1所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，在步骤S40中，所述胶柱的去除方法为：将所述胶柱浸入有机溶剂中，以使所述胶柱溶解于所述有机溶剂中。
4.如权利要求3所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，所述有机溶剂包括四氢呋喃。
5.如权利要求1所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，在步骤S60中，所述紫外光照射的条件为：紫外光波长为250～255nm，照射时间为1～3min。
6.如权利要求1所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，所述金属层的厚度为90～110nm；和/或，
所述透明衬底层的材质包括石英玻璃。
7.如权利要求1所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，所述键合层的材质包括聚二甲基硅氧烷。
8.如权利要求7所述的零模波导孔结构的制备方法，其特征在于，所述键合层的厚度为3～5nm。
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