CN113058668B - 一种基于电容性超材料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电容性超材料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、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。本发明将具有高电场束缚等特殊传播特性的人工表面等离激元与超材料相结合，利用人工表面等离激元的局域电场增强与流体和光方向一致性提升检测灵敏度，检测范围最大可0到10THz；利用人工表面等离激元上的电容性超材料进一步增强局域电场，利用超材料谐振峰强度和频率的移动来进行检测，提升了芯片的检测灵敏度，检测范围在0到10THz之间。

Description

一种基于电容性超材料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电容性超材料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检测技术可以分为化学方法、物理方法和光谱方法。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和样本浓度实现高精度、高灵敏度的无标记指纹识别。但是现有的太赫兹频谱检测方法是通过对比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，这种方式对太赫兹波仅具有单重响应，分辨率和灵敏度较低。

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，本发明提供了一种基于电容性超材料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基于电容性超材料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。

本发明提出了一种基于人工表面等离激元的微流控检测芯片及其检测方法，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浓度的检测。在传统的空间光路测量中，微流控方向与光传播方向垂直，探测有效面积小，所以探测灵敏度较低。在人工表面等离激元芯片中，微流控方向可与光传播方向相同，探测有效面积大，可以获得更高的灵敏度。在人工表面等离激元中引入电容性超材料，可以在电容位置进一步增强局域电场，并且电容性超材料阵列周期排布方向和人工表面等离激元波传输方向的一致性也会使得该芯片中的超材料对待检测溶液具有多重响应，实现更高的探测灵敏度，通过观察电容性超材料的谐振频率和强度变化，可以对被检测物质的浓度进行标定。

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和超材料结构，利用人工表面等离激元传输线和超材料器件其平面工艺兼容特点，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。通过电容性超材料结构与人工表面等离激元的结合来研究物质成分和浓度的变化(对应谐振峰的变化)，最后大量检测构建不同组分和浓度的指纹峰数据库。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、开口谐振环结构，是一种亚波长大小且具有线性缺口的环形结构，可以有效改变介质材料的电磁特性，如图2所示；

2、电容电感谐振超材料结构，是一种将两个开口谐振环并联形成的超材料结构，如图3所示；

3、开口谐振环阵列结构，是基于开口谐振环结构的周期性分布阵列，阵列结构引入的多重响应可以进一步提高基于开口谐振环结构检测芯片的检测灵敏度，如图4所示；

4、电容电感谐振超材料阵列结构，是基于电容电感谐振超材料结构的周期性分布阵列，阵列结构引入的多重响应可以进一步提高基于电容电感谐振超材料结构检测芯片的检测灵敏度，如图5所示。

本发明的技术方案为：

一种基于电容性超材料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、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。

根据本发明优选的，所述电容性超材料结构为开口谐振环结构、电容电感谐振超材料结构、开口谐振环阵列结构或电容电感谐振超材料阵列结构。

根据本发明优选的，具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层中每个开口谐振环单元均被微流通道层中的一条微流控通道覆盖。微流控通道仅覆盖开口谐振环结构中的电容性结构，尽量减少检测液体通过微流控通道时与人工表面等离激元传输线的接触，从而提高检测的准确性和灵敏度。

根据本发明优选的，所有微流控通道的入口即阀门注入孔和所有微流控通道的出口即阀门输出孔分别设置在微流控检测芯片结构的两侧。在微流控通道中设置阀门注入孔便于待检测液体的注入。

根据本发明优选的，所述具有电容性超材料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。

上述基于电容性超材料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清洗衬底层并旋涂光刻胶；

②利用光刻技术，在步骤②旋涂有光刻胶的衬底层上定义所述具有电容性超材料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经过图形定义的所述衬底层上蒸镀所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层；

④在所述具有电容性超材料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，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。

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30分钟，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孔状或锯齿状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。

通过上述基于电容性超材料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)根据步骤(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，求取谐振峰频率差值；

(4)将步骤(3)求取的谐振峰频率差值，对比已知的不同浓度溶液对应的谐振峰频率差值，得到待检测液体的浓度。

本发明中待检测液体通过微流通道开孔注入，需覆盖超材料中的电容性结构的间隙。超材料中的工作机制可以被理解为RLC电路，L为环形结构电感，C为间隙处的电容，R代表环形结构的电阻，其共振频率可以通过公式

进行计算。将间隙处的电容视作平行板电容器，由平行板电容计算公式C＝ε_rS/4πkd可知，在相对面积S和电容间距d不发生改变的情况下，电容的变化对应于介电常数ε_r发生改变，即不同浓度的待检测溶液具有不同的介电常数。在待检测液体覆盖超材料中的电容性结构后，电容性结构间隙的介电常数因待检测液体的注入发生改变，芯片测得的谐振峰也随之改变，通过对比已知的不同浓度溶液介电常数即可得到待检测液体样本浓度。

本发明的有益效果为：

1、本发明通过光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术将人工表面等离激元与电容性超材料结构相结合，采用键合工艺在其表面集成微流通道等微流控模块，通过电容性超材料结构与人工表面等离激元的结合来研究物质浓度的变化(对应谐振峰的变化)，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、本发明将具有高电场束缚等特殊传播特性的人工表面等离激元与超材料相结合，利用人工表面等离激元的局域电场增强与流体和波方向一致性提升检测灵敏度，检测范围最大可0到10THz；利用人工表面等离激元上的电容性超材料进一步增强局域电场，利用超材料谐振峰强度和频率的移动来进行检测，提升了芯片的检测灵敏度，检测范围在0到10THz之间。

3、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。

4、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电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层的平面示意图；

图2为开口谐振环结构示意图；

图3为电容电感谐振超材料结构示意图；

图4为开口谐振环阵列结构示意图；

图5为电容电感谐振超材料阵列结构示意图；

图6为电容性超材料结构的工作原理示意图；

图7为本发明基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的结构图；

图8为使用本发明对不同质量分数的蔗糖溶液检测结果响应频率-信号透过率示意图；

图9为使用本发明对不同质量分数的蔗糖溶液检测结果溶液质量分数-响应频率示意图；

图10为使用本发明对癌细胞和正常细胞检测结果带阻响应频率-信号透过率示意图。

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

一种基于电容性超材料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、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。

衬底层及具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层的平面如图1所示。图1中的SSPPTL为spoof surface plasmon polaritons transmission line的缩写，表示人工表面等离激元传输线。

实施例2

根据实施例1所述的一种基于电容性超材料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：

电容性超材料结构为开口谐振环结构、电容电感谐振超材料结构、开口谐振环阵列结构或电容电感谐振超材料阵列结构。图2为开口谐振环结构示意图；图3为电容电感谐振超材料结构示意图；

图4为开口谐振环阵列结构示意图；图5为电容电感谐振超材料阵列结构示意图；

具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层中每个开口谐振环单元均被微流通道层中的一条微流控通道覆盖。如图7所示。微流控通道仅覆盖开口谐振环结构中的电容性结构，尽量减少检测液体通过微流控通道时与人工表面等离激元传输线的接触，从而提高检测的准确性和灵敏度。

所有微流控通道的入口即阀门注入孔和所有微流控通道的出口即阀门输出孔分别设置在微流控检测芯片结构的两侧。在微流控通道中设置阀门注入孔便于待检测液体的注入。

具有电容性超材料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。

实施例3

实施例1或2所述的基于电容性超材料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清洗衬底层并旋涂光刻胶；

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利用光刻技术，在步骤②旋涂有光刻胶的衬底层上定义所述具有电容性超材料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经过图形定义的所述衬底层上蒸镀所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层；

④在具有电容性超材料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。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30分钟，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孔状或锯齿状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所述的基于电容性超材料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)根据步骤(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，求取谐振峰频率差值；

(4)将步骤(3)求取的谐振峰频率差值，对比已知的不同浓度溶液对应的谐振峰频率差值，得到待检测液体的浓度。

本发明中待检测液体通过微流通道开孔注入，需覆盖超材料中的电容性结构的间隙。超材料中的工作机制可以被理解为RLC电路，如图6所示，L为环形结构电感，C为间隙处的电容，R代表环形结构的电阻，其共振频率可以通过公式

进行计算。将间隙处的电容视作平行板电容器，由平行板电容计算公式C＝ε_rS/4πkd可知，在相对面积S和电容间距d不发生改变的情况下，电容的变化对应于介电常数ε_r发生改变，即不同浓度的待检测溶液具有不同的介电常数。在待检测液体覆盖超材料中的电容性结构后，电容性结构间隙的介电常数因待检测液体的注入发生改变，芯片测得的谐振峰也随之改变，通过对比已知的不同浓度溶液介电常数即可得到待检测液体样本浓度。

图8为使用本发明对不同质量分数的蔗糖溶液检测结果响应频率-信号透过率示意图；可以看出在未注入蔗糖溶液时，电容性超材料结构中为具有极低介电常数的空气，所以此时电容性结构具有较小的电容，即具有较高的谐振峰频率；当注入不含蔗糖的纯水时，因为水具有极高的介电常数，此时超材料具有较大的电容，即芯片具有较低的谐振峰频率；再注入不同浓度的蔗糖溶液后，因为蔗糖溶液的介电常数随浓度的升高而降低，所以芯片的谐振峰频率随蔗糖溶液的浓度升高而升高。

图9为使用本发明对不同质量分数的蔗糖溶液检测结果溶液质量分数-响应频率示意图；可以看出芯片的谐振峰频率与溶液中蔗糖的质量分数具有线性关系，因此谐振峰的频率变化与蔗糖溶液浓度具有一一映射关系，可以建立蔗糖溶液浓度与芯片谐振峰频率关系对照表，在之后的检测中只要观测芯片在覆盖待检测蔗糖溶液后的谐振峰频率即可得到待检测蔗糖溶液浓度。

图10为使用本发明对癌细胞和正常细胞检测结果带阻响应频率-信号透过率示意图。可以看出正常细胞和癌细胞在检测中均使得芯片的谐振频率向低频移动，并且引起的频率变化具有明显的频率区域划分，这说明该芯片可以被用于正常细胞和癌细胞的区分检测。

Claims (8)

1.一种基于电容性超材料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、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层；

具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层中每个开口谐振环单元均被微流通道层中的一条微流控通道覆盖；

所有微流控通道的入口即阀门注入孔和所有微流控通道的出口即阀门输出孔分别设置在微流控检测芯片结构的两侧。

2.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料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，所述电容性超材料结构为开口谐振环结构、电容电感谐振超材料结构、开口谐振环阵列结构或电容电感谐振超材料阵列结构。

3.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料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，所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层的材质包括Ti/Au。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于电容性超材料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；所述衬底层的材质为厚度为200微米的高阻硅衬底。

5.权利要求1-4任一所述的基于电容性超材料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清洗衬底层并旋涂光刻胶；

②利用光刻技术，在步骤②旋涂有光刻胶的衬底层上定义所述具有电容性超材料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经过图形定义的所述衬底层上蒸镀所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层；

④在所述具有电容性超材料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。

6.根据权利要求5所述的基于电容性超材料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，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。

7.根据权利要求5所述的基于电容性超材料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30分钟，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表面。

8.通过权利要求1-5任一所述的基于电容性超材料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，其特征在于，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)根据步骤(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，求取谐振峰频率差值；

(4)将步骤(3)求取的谐振峰频率差值，对比已知的不同浓度溶液对应的谐振峰频率差值，得到待检测液体的浓度。

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