CN112934281A - 一种基于周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法，包括由下自上依次生长的衬底层、具有周期性孔状或锯齿状结构的人工表面等离激元金属层和微流通道层。本发明通过光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术制作人工表面等离激元，采用键合工艺在其表面集成微流通道等微流控模块，利用人工表面等离激元测得的待检测液体指纹峰实现对分子样本种类的检测，具有实时、微量、平面检测、利于集成和可检测样品范围广等优势。

Description

一种基于周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片 结构及其制备、检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法，属于电磁场与微波技术和液体检测技术的交叉技术领域。

背景技术

表面等离激元是一种产生于金属和介质分界面的传输型表面波，其电场沿金属表面法线方向呈现指数规律衰减，具有局域电场增强、工作波长小、高频截止、无衍射极限等特殊传播特性，在物质检测、小型化天线、超分辨率成像和亚波长电路等方向有极大的应用前景。由于局域电场增强作用，基于表面等离激元的探测器件具有高灵敏度、超快响应速度、无需标记样品、小型化等特点，因此，在生物/液体检测领域拥有广泛的应用前景。传统的表面等离激元依赖于光学波段金属的负相对介电常数特性，然而金属在太赫兹及其以下频段表现为完美电导体，所以表面等离激元在自然界中只存在于可见光和近红外波段。这类表面等离激元检测是通过棱镜激发金属表面的等离激元，体积庞大且不易集成化。随着光子技术的发展，具有孔状或锯齿状结构的人工结构被用于模拟可见光波段金属的等离子特性，实现了类似表面等离激元的高频截止色散特性，将这种具有独特性质的表面波模式引入太赫兹及其以下频段，即“人工表面等离激元”。人工表面等离激元是慢波，具有波长短、局域电场增强的特性。

由于许多有机大分子的转动和分子间振动的光谱“指纹峰”在太赫兹波段(0.1-10THz)，所以太赫兹人工表面等离激元在DNA、有机分子、癌细胞等的检测方面有着独特的应用。相比于传统表面等离激元，人工表面等离激元在生物和有机溶液检测方面具有许多优势，例如水吸收强，对浓度具有更高的检测灵敏度；激励结构简单，易于平面集成和小型化；与微流控芯片兼容性强，便于进行高通量检测。

目前，在生物医学和有机物检测领域常用的检测技术可以分为化学方法、物理方法、光谱方法和频谱方法。其中，化学方法检测速度慢，成本高，诸如气相色谱法、高效液相色谱法、离子交换色谱法等；物理方法无法实现实时检测，诸如质谱分析法、核磁共振法(包括氢谱和碳谱)等；光谱方法缺少穿透性，检测准确率不高，诸如拉曼光谱法、红外光谱法、紫外可见光谱法等，这三类检测方法均无法满足生物医学和有机物检测实时、高速、高灵敏度的要求。而人工表面等离激元检测所采用的频谱分析方法是一种将复信号分解为较简单信号的技术。频谱是指一个时域的信号在频域下的表示方式，许多物质的物理信号均可以表示为许多不同频率简单信号的复合，通过分析信号在不同频率下幅度、功率、强度、相位等信息，可以获得待检测物质的物理和化学信息。相对于其他检测手段来说，频谱分析在检测时具有非电离、高分辨率、高灵敏度等极为优越的特点。

为了进一步提高频谱检测技术的灵敏度和减小样本消耗量，在微米尺寸级别集成了样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元的微流控芯片被提出用于处理和分析样本，从而优化检测过程，其具有体积小、通量高、灵敏度高、样本分析时间短、样本需求量少、可控性强等优势。现有的微流控技术主要集中在光学波段和10GHz以下的微波频段。相比于光学波段，太赫兹波具有光子能量低、可无损检测、穿透性高、频谱宽、覆盖多数物质的特征谱、极易被水等极性分子吸收等特性，适合于生物医学成像，使得太赫兹在生物领域的应用出现出欣欣向荣的研究趋势。其中，许多生物和有机大分子的分子间振动和分子转动能级可以在太赫兹波段产生指纹峰，使得太赫兹频谱能探测到这些分子的构型等信息。通过将人工表面等离激元的局域电场增强作用和微流控的优势在太赫兹频段进行结合，可以在芯片上对生物和有机大分子样本种类实现高精度、高灵敏度的无标记指纹识别。现有的太赫兹指纹峰检测技术都是通过比对超材料结构在待检测液体覆盖前后对太赫兹空间波的响应变化来实现的，这种方式对太赫兹波仅具有单重响应，分辨率和灵敏度都较低。

综上所述，人工表面等离激元和微流控技术的结合对于有机分子和生物细胞检测具有重要意义。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构；

本发明还提供了上述基于周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法及其检测方法。

本发明通过将人工表面等离激元与微流控技术结合，实现对生物分子和有机分子溶液的样本种类的检测。利用具有周期性的人工表面等离激元，可以对等离子体截止频率以下的生物大分子、有机分子、无机原子的“指纹峰”进行探测。

本发明通过在衬底表面利用光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术制备人工表面等离激元，通过键合工艺将微流通道结构等微流控模块集成到人工表面等离激元表面。待检测液体通过微流通道注入到特定的人工表面等离激元结构上方，通过人工表面等离激元来测试获得物质的指纹峰，该微流控检测芯片及其检测方法具有体积小、加工简单、实时检测、微量检测、高灵敏度和检测范围广等优势，在物质检测领域具有广泛的应用前景。

术语解释：

1、具有周期性结构的人工表面等离激元，是指在微波和太赫兹波频率通过周期性排列的结构模拟光学频率中表面等离激元色散特性的人工表面等离激元结构，该周期性排列的结构可以为锯齿状结构(如图1所示)或其他可以实现相同功能的结构；

2、PDMS，二甲基硅氧烷材料；

3、指纹峰，是指生物和有机大分子的分子间振动和分子转动能级在太赫兹波段产生的特征吸收谱；

4、指纹峰数据库，是指含有各种生物和有机大分子特征吸收谱数据的数据库；

5、DECON，迪康碱性清洗液，为一种表面活性清洁剂/放射性污染净化剂，可用于实验室、医疗及专门工业的各种用途。以非黏性浓缩液体形式提供，用水进行稀释，可生物递降分解、完全可漂洗且不易燃烧。

本发明的技术方案为：

一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，包括由下自上依次生长的衬底层、具有周期性结构的人工表面等离激元金属层和微流通道层。

根据本发明优选的，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层为具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层。

根据本发明优选的，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层位于所述微流通道层的下方，并与所述微流通道层保持平行。当微流控通道与人工表面等离激元传输线平行时，可以在不增加待检测溶液量的情况下增加有效接触面积和有效厚度，从而使得该检测芯片具有更高的检测分辨率和检测灵敏度。

根据本发明优选的，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层的材质包括Ti/Au。Ti作为粘附层，用于提高金属与衬底的粘结强度。金属Au作为主要的信号传输层，具有极好的导电性，随着Au厚度的增加，传输信号的损耗也随之在全频段降低。其它金属也可使用。

根据本发明优选的，所述微流通道层的材质包括聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)。PDMS材料柔性好，易于紧密吸附在其他材质的衬底上，易于加工成型，键合工艺简单，对温度敏感，具有良好的绝缘性和化学惰性。其它任何能实现微流通道的材料均可使用，包括但不限于SU-8光刻胶、石英管、硅刻蚀通道等。

根据本发明优选的，所述衬底层的材质为厚度为200微米的高阻硅衬底。高阻硅材料具有微波太赫兹波频段插入损耗低和低成本优势。其他衬底也可使用。

上述具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，包括步骤如下：

①清洗衬底层；

②在步骤①清洗后的衬底层上覆盖光刻胶，利用光刻技术在覆盖光刻胶的衬底层上定义具有周期性结构的人工表面等离激元金属层图形，并显影图形；

③利用电子束蒸发镀膜技术和剥离技术，在步骤②所述衬底层上蒸镀所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层；

④在所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层上制备所述微流通道层，即得。

进一步优选的，所述步骤①，包括：

首先，依次采用DECON、去离子水、丙酮清洗衬底层；

然后，采用去离子水冲洗衬底层；

最后，用氮气吹干衬底层。

根据本发明优选的，所述步骤④，包括：所述微流通道层根据所需图形模具制作完成后，在温度为85℃恒温干燥箱内干燥30min，用打孔器在所述微流通道层表面制作两个液体注入孔，通过键合工艺将所述微流通道层键合到所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层表面。其他微流控通道材料也可用相同步骤实现。

通过上述具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构进行检测的方法，包括步骤如下：

(1)将微流控检测芯片结构与矢量网络分析仪相连接，进行芯片S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在未注入待检测液体时的透射率频谱响应；

(2)将待检测液体通过液体注入孔注入所述微流通道层，并使待检测液体完全覆盖所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层，再次进行S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在覆盖了待检测液体后的透射率频谱响应；

(3)通过微流控检测芯片结构在注入待检测液体前、后的透射率频谱变化，即步骤(1)得到的透射率频谱响应及步骤(2)得到的透射率频谱响应的变化，得到待检测液体的指纹峰；

(4)将步骤(3)得到的待检测液体的指纹峰与指纹峰数据库对比，即得到待检测液体样本种类和组分。

本发明中待检测液体通过微流通道开孔注入，需覆盖周期性锯齿状结构的人工表面等离激元。

本发明的有益效果为：

1、生物和有机大分子的分子间振动和分子转动会在太赫兹波段产生的指纹峰，本发明通过光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术制作人工表面等离激元，采用键合工艺在其表面集成微流通道等微流控模块，利用人工表面等离激元测得的待检测液体指纹峰实现对分子样本种类的检测，具有实时、微量、平面检测、利于集成和可检测样品范围广等优势。

2、本发明利用平面工艺兼容特点，通过常规的半导体加工工艺，将人工表面等离激元技术结合与具有精确控制和操控微尺度流体的微流控技术相集成，具有体积小、加工简单、实时检测、微量检测、检测范围广和高灵敏度等优势，可以实现对单细胞的超高灵敏度无标记检测，在单细胞检测领域具有广泛应用前景。

3、人工表面等离激元的单层金属导带传输结构表明其在微波和太赫兹柔性器件设计方面具有不可替代的优势。同时，微流控技术固有的柔性特性决定了其在自然拉伸状态下依然能够保持功能，因此本发明有望在柔性系统及智能可穿戴设备等场景下发挥重要作用。

附图说明

图1为本发明衬底层及具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层的平面示意图；

图2为本发明衬底层及具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层的剖面示意图；

图3为本发明具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的结构示意图；

图4为水的特征峰检测结果示意图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例1

一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，包括由下自上依次生长的衬底层、具有周期性结构的人工表面等离激元金属层和微流通道层。

实施例2

根据实施例1所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其区别在于：

具有周期性结构的人工表面等离激元金属层为具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层。

具有周期性结构的人工表面等离激元金属层位于微流通道层的下方，并与微流通道层保持平行。当微流控通道与人工表面等离激元传输线平行时，可以在不增加待检测溶液量的情况下增加有效接触面积和有效厚度，从而使得该检测芯片具有更高的检测分辨率和检测灵敏度。

具有周期性结构的人工表面等离激元金属层的材质包括Ti/Au。Ti作为粘附层，用于提高金属与衬底的粘结强度。金属Au作为主要的信号传输层，具有极好的导电性，随着Au厚度的增加，传输信号的损耗也随之在全频段降低。其它金属也可使用。

微流通道层的材质包括聚二甲基硅氧烷材料(PDMS)。PDMS材料柔性好，易于紧密吸附在其他材质的衬底上，易于加工成型，键合工艺简单，对温度敏感，具有良好的绝缘性和化学惰性。其它任何能实现微流通道的材料均可使用，包括但不限于SU-8光刻胶、石英管、硅刻蚀通道等。

衬底层的材质为厚度为200微米的高阻硅衬底。高阻硅材料具有微波太赫兹波频段插入损耗低和低成本优势。其他衬底也可使用。

衬底层及具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层的剖面如图2所示。具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构如图3所示。

实施例3

实施例1或2所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，包括步骤如下：

①清洗衬底层；包括：

首先，依次采用DECON、去离子水、丙酮清洗衬底层；

然后，采用去离子水冲洗衬底层；

最后，用氮气吹干衬底层。

②在步骤①清洗后的衬底层上覆盖光刻胶，利用光刻技术在覆盖光刻胶的衬底层上定义具有周期性结构的人工表面等离激元金属层图形，并显影图形；

③利用电子束蒸发镀膜技术和剥离技术，在步骤②衬底层上蒸镀具有周期性结构的人工表面等离激元金属层；

④在具有周期性结构的人工表面等离激元金属层上制备微流通道层，即得。包括：微流通道层根据所需图形模具制作完成后，在温度为85℃恒温干燥箱内干燥30min，用打孔器在微流通道层表面制作两个液体注入孔，通过键合工艺将微流通道层键合到具有周期性结构的人工表面等离激元金属层表面。其他微流控通道材料也可用相同步骤实现。

实施例4

通过实施例1或2所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构进行检测的方法，包括步骤如下：

(1)将微流控检测芯片结构与矢量网络分析仪相连接，进行芯片S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在未注入待检测液体时的透射率频谱响应；

(2)将待检测液体通过液体注入孔注入微流通道层，并使待检测液体完全覆盖具有周期性结构的人工表面等离激元金属层，再次进行S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在覆盖了待检测液体后的透射率频谱响应；

(3)通过微流控检测芯片结构在注入待检测液体前、后的透射率频谱变化，即步骤(1)得到的透射率频谱响应及步骤(2)得到的透射率频谱响应的变化，得到待检测液体的指纹峰；

(4)将步骤(3)得到的待检测液体的指纹峰与指纹峰数据库对比，即得到待检测液体样本种类和组分。本发明中待检测液体通过微流通道开孔注入，需覆盖周期性锯齿状结构的人工表面等离激元。

图4为本发明检测方法得到的水的特征峰检测结果示意图，不同物质由于其分子间振动和分子转动不同，具有不同数量不同频率的特征峰，由图4可以看出，水在1097GHz和1164GHz处存在两个明显的吸收峰。

Claims (10)

1.一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，包括由下自上依次生长的衬底层、具有周期性结构的人工表面等离激元金属层和微流通道层。

2.根据权利要求1所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层为具有周期性锯齿状结构的人工表面等离激元金属层。

3.根据权利要求1所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层位于所述微流通道层的下方，并与所述微流通道层保持平行。

4.根据权利要求1所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层的材质包括Ti/Au。

5.根据权利要求1所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述微流通道层的材质包括聚二甲基硅氧烷材料。

6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述衬底层的材质为厚度为200微米的高阻硅衬底。

7.权利要求1-6任一所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：

①清洗衬底层；

②在步骤①清洗后的衬底层上覆盖光刻胶，利用光刻技术在覆盖光刻胶的衬底层上定义具有周期性结构的人工表面等离激元金属层图形，并显影图形；

③利用电子束蒸发镀膜技术和剥离技术，在步骤②所述衬底层上蒸镀所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层；

④在所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层上制备所述微流通道层，即得。

8.根据权利要求7所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤①，包括：

首先，依次采用DECON、去离子水、丙酮清洗衬底层；

然后，采用去离子水冲洗衬底层；

最后，用氮气吹干衬底层。

9.根据权利要求7所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，其特征在于，所述步骤④，包括：所述微流通道层根据所需图形模具制作完成后，在温度为85℃恒温干燥箱内干燥30min，用打孔器在所述微流通道层表面制作两个液体注入孔，通过键合工艺将所述微流通道层键合到所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层表面。

10.通过权利要求1-6任一所述的具有周期性结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构进行检测的方法，包括步骤如下：

(1)将微流控检测芯片结构与矢量网络分析仪相连接，进行芯片S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在未注入待检测液体时的透射率频谱响应；

(2)将待检测液体通过液体注入孔注入所述微流通道层，并使待检测液体完全覆盖所述具有周期性结构的人工表面等离激元金属层，再次进行S参数表征测试，获得微流控检测芯片结构在覆盖了待检测液体后的透射率频谱响应；

(3)通过微流控检测芯片结构在注入待检测液体前、后的透射率频谱变化，即步骤(1)得到的透射率频谱响应及步骤(2)得到的透射率频谱响应的变化，得到待检测液体的指纹峰；

(4)将步骤(3)得到的待检测液体的指纹峰与指纹峰数据库对比，即得到待检测液体样本种类和组分。

Images