專利名稱：聚合物spr芯片及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種表面等離子體諧振(Surface Plasmon Resonance, SPR)芯片及其制備方法。
背景技術(shù)：
二十一世紀(jì)是交叉學(xué)科發(fā)展的時(shí)代，特別是生物芯片的研制和生化檢測(cè)技術(shù)。傳感技 術(shù)是信息獲取的一個(gè)重要手段，利用傳感技術(shù)獲取生物樣品的信息是生物檢測(cè)技術(shù)發(fā)展的 一個(gè)重要內(nèi)容。其中，光學(xué)方法具有非破壞性和高靈敏度的特點(diǎn)，而被認(rèn)為是最成熟和最好的生物測(cè) 試技術(shù)。自Wood在光學(xué)實(shí)驗(yàn)中首次發(fā)現(xiàn)表面等離子體共振(SPR)現(xiàn)象以來(lái)，SPR儀器和 SPR生物傳感器的研究一直受到關(guān)注。SPR生化傳感技術(shù)的理論基礎(chǔ)是表面等離子體諧振的光學(xué)物理現(xiàn)象。如果一束單色偏 振光在一定的入射角范圍內(nèi)，透過(guò)玻璃，照射到鍍?cè)诓ＡП砻娴你y薄膜或金薄膜上時(shí)，此 時(shí)玻璃為光疏介質(zhì)，金屬薄膜為光密介質(zhì)，因此發(fā)生全反射，光束被金屬薄膜反射出去。 但是金屬薄膜表面存在著一層自由電子(稱為表面等離子體)，入射光的一部分能量會(huì)被 表面等離子體吸收。當(dāng)入射光的波矢與表面等離子體的固有振蕩頻率相匹配時(shí)，引起自由 電子發(fā)生共振，此時(shí)入射光子的大部分能量被金屬膜表面電子吸收，使反射光的能量最小， 此種現(xiàn)象稱為表面等離子體諧振。發(fā)生表面等離子體諧振時(shí)的入射角度稱為SPR角。SPR現(xiàn)象對(duì)附著在金屬表面的電介質(zhì)的折射率非常敏感。附著在金屬膜表面上的電介質(zhì)不同，或同種電介質(zhì)的數(shù)量不同，都會(huì)引起SPR角的移動(dòng)。根據(jù)上述原理，SPR生物傳感技術(shù)通常將已知的生物分子(如抗體)固定在金屬膜表面，并將含有互補(bǔ)目標(biāo)生物分子(如目標(biāo)抗原)的溶液流過(guò)金屬表面，兩者結(jié)合或解離將使金屬膜溶液界面的折射率發(fā)生變化，從而引起SPR角的移動(dòng)，據(jù)此可以檢測(cè)生物分子間的相互作用。由SPR曲線可獲得如下信息哪些分子發(fā)生了相互作用，相互作用的強(qiáng)度，結(jié)合和解離的速度，樣品中分析物濃度，是否存在異構(gòu)效應(yīng)，結(jié)合位點(diǎn)分析，復(fù)合物中不同成分對(duì)結(jié)合的影響等。基于SPR原理的生物傳感產(chǎn)品已有很多報(bào)道, 一般的SPR生物傳感器主要是由光源1 、反射棱鏡4、金屬膜8、待測(cè)樣品流道結(jié)構(gòu)IO、生化修飾層9和探測(cè)器6構(gòu)成，具體結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。其中SPR芯片是由玻璃基質(zhì)的反射棱鏡4、金屬膜8、生化修飾層9和待測(cè)樣品流道硅結(jié)構(gòu)10組成，其制備方法為，在反射棱鏡4上制備一層很薄的金屬膜8，在金屬膜
上制備生化修飾層9，再用一種折射率與棱鏡匹配的聚合物將待測(cè)樣品流道硅結(jié)構(gòu)耦合到 玻璃棱鏡上?，F(xiàn)有的SPR芯片由于選擇了上述反射棱鏡和待測(cè)樣品流道結(jié)構(gòu)，其尺寸較大、 結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且還存在加工困難，測(cè)試不方便，成本相對(duì)較高等缺陷，因此目前基于SPR 原理的生物傳感產(chǎn)品只應(yīng)用于-一些大型的實(shí)驗(yàn)室。發(fā)明內(nèi)容針對(duì)上述現(xiàn)有SPR芯片存在的問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的SPR芯片， 該芯片性能高、成本低。本發(fā)明的上述目的是通過(guò)如下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的一種聚合物SPR芯片，包括反射棱鏡、金屬膜和樣品流道結(jié)構(gòu)，其特征在于，反射棱 鏡為一聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列，金屬膜在所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光 學(xué)棱鏡陣列的背面，與聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)樣品流 道結(jié)構(gòu)也采用聚合物材料，樣品流道結(jié)構(gòu)與所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列熱 壓鍵合在-一起。所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列的材料可是聚甲基丙烯甲脂(P顧A)和聚二甲基硅氧烷(P服S)。樣品流道結(jié)構(gòu)的材料可為聚甲基丙烯甲脂〔P畫(huà)A)和聚二甲基硅氧垸(PDMS)。在所述金屬膜的外表面上做一層化學(xué)修飾層。聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列中的棱鏡的底角可以在20°到60°之間。 聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列中的棱鏡的截面可以是三角形，也可以是梯形。一種聚合物SPR芯片的制備方法，其步驟包括1) 清洗硅片，在硅片表面長(zhǎng)一層氮化硅；2) 光刻，用離子刻蝕開(kāi)窗，去膠，KOH腐蝕,形成聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣 列以及樣品流道結(jié)構(gòu)的模具，并對(duì)模具表面做處理；3) 用聚合物光學(xué)棱鏡的材料注模復(fù)制出棱鏡或棱鏡陣列；4) 用聚合物材料注模復(fù)制出樣品流道結(jié)構(gòu)；5) 在聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列背面濺射或電子束蒸發(fā)形成金屬膜；6) 將聚合物棱鏡或聚合物棱鏡陣列及樣品流道結(jié)構(gòu)與硅模具進(jìn)行剝離；7) 通過(guò)熱壓將聚合物光學(xué)棱鏡與聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)鍵合在一起。在步驟7)之前，在所述聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)上，與聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱
鏡陣列鍵合處，可涂上SU8光刻膠。 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)和積極效果本發(fā)明克服當(dāng)甜SPR芯片結(jié)構(gòu)復(fù)雜、制備工藝難度大等缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)一個(gè)低成本、高性 能的微型SPR芯片，本發(fā)明屮棱鏡材料采用低成本、易于加工的聚合物材料代替?zhèn)鹘y(tǒng)的玻 璃，該聚合物材料的折射率與玻璃的折射率相近，并且可能用微加工工藝制作棱鏡陣列。 本發(fā)明聚合物棱鏡或棱鏡陣列中的棱鏡的截面可以是三角形，也可以是梯形，棱鏡的底角 可以在20°到60°之間，根據(jù)測(cè)試光源的波長(zhǎng)不同，棱鏡的底角和截面為梯形時(shí)的上下邊長(zhǎng) 略有不同。同時(shí)也可以用微加工的方法制作出樣品流道，然后將微流體裝置進(jìn)行集成完成 芯片制作，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。該芯片不僅成本低，而且便于攜帶，適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和 一次性使用。同時(shí)也解決了聚合物材料芯片的制作工藝。本發(fā)明的SPR芯片可具有多個(gè)測(cè)試單元，有不同尺寸和不同形狀的棱鏡，配合相應(yīng)的 測(cè)試光學(xué)系統(tǒng)、檢測(cè)系統(tǒng)和信息處理系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)多組份和多參數(shù)測(cè)試。


-圖1是現(xiàn)有SPR生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，1——激光光源，2~^光纖，3——準(zhǔn)直與偏振器件，4——棱鏡，5——數(shù)據(jù)傳輸線， 6——光電探測(cè)器，7—一計(jì)算機(jī)，8—一金屬膜，9——生化修飾層，10——待測(cè)樣品流 道結(jié)構(gòu)，11——待測(cè)樣品；圖2是本發(fā)明SPR芯片的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，21——聚合物光學(xué)棱鏡陣列，22——金屬膜，23——樣品流道，24——樣品流道結(jié)構(gòu)；圖3是本發(fā)明SPR芯片的制備流程圖，其中， 1-1、 1-2、 1-3為聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)的制備示意圖； 卜l、卜2、 1-3為聚合物光學(xué)棱鏡陣列的制備示意圖； 4為聚合物光學(xué)棱鏡與聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)鍵合示意圖； 圖4是采用本發(fā)明SPR芯片進(jìn)行檢測(cè)的結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式下面的具體實(shí)施例有助于理解本發(fā)明的特征和優(yōu)點(diǎn)，但本發(fā)明的實(shí)施決不僅局限于所 述的實(shí)施例。選用聚甲基丙烯甲脂(PMMA)或聚二甲基硅氧烷(P函S〉材料來(lái)制作棱鏡和樣品流道，
SPR芯片的結(jié)構(gòu)如圖2所示，具體制作工藝如圖3所示，其制備工藝步驟為 利用MEMS工藝制作硅模具，包括 清洗硅片，在硅片表面長(zhǎng)一層氮化硅；光刻，用離子刻蝕丌窗，去膠,K0H腐蝕,形成聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列 以及樣品流道結(jié)構(gòu)的硅模具；通過(guò)注模復(fù)制出PMMA或PDMS棱鏡陣列，棱鏡的底角為57. 74?；?5. 3°;在PMMA或PDMS材料棱鏡陣列背面通過(guò)濺射和電子束蒸發(fā)形成一層金膜，其厚度的大 小為20-90咖。同時(shí)，通過(guò)注模制作PMMA或PDMS樣品流道結(jié)構(gòu)，樣品流道結(jié)構(gòu)的高度為200-500微米；在聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)上，與PMMA或PDMS棱鏡陣列接觸的部分涂上SU8光刻膠 通過(guò)熱壓鍵合實(shí)現(xiàn)聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)和聚合物棱鏡陣列集成在一起。 圖4是采用本發(fā)明SPR芯片的測(cè)試結(jié)果示意圖，采用的檢測(cè)樣品分別為水，50%乙醇和乙醇，可以檢測(cè)到明顯的共振角的變化。以上通過(guò)詳細(xì)實(shí)施例描述了本發(fā)明所提供的聚合物SPR芯片及制備方法，本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，在不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明做一定的變形或修改；其制備方法也不限于實(shí)施例中所公開(kāi)的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1、一種聚合物SPR芯片，包括反射棱鏡、金屬膜和樣品流道結(jié)構(gòu)，其特征在于，反射棱鏡為一聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列，金屬膜在所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列的背面，與聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)樣品流道結(jié)構(gòu)也采用聚合物材料，所述樣品流道結(jié)構(gòu)與所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列通過(guò)熱壓鍵合在一起。
2、 如權(quán)利要求1所述的聚合物SPR芯片，其特征在于所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列的材料是聚甲基丙烯甲脂和聚二甲基硅氧烷。
3、 如權(quán)利要求1或2所述的聚合物SPR芯片，其特征在于樣品流道結(jié)構(gòu)的材料為聚甲基丙烯甲脂和聚二甲基硅氧烷。
4、 如權(quán)利要求1或2所述的聚合物SPR芯片，其特征在于聚合物光學(xué)棱鏡或聚合 物光學(xué)棱鏡陣列中的棱鏡的底角值為20°到60°之間。
5、 如權(quán)利要求4所述的聚合物SPR芯片，其特征在于聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光 學(xué)棱鏡陣列中的棱鏡的截面是三角形或梯形。
6、 一種聚合物SPR芯片的制備方法，其歩驟包括1) 清洗硅片，在硅片表面長(zhǎng)一層氮化硅；2) 光刻，并離子刻蝕開(kāi)窗，去膠,KOH腐蝕，形成聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣 列以及樣品流道結(jié)構(gòu)的硅模具，對(duì)硅模具表面做處理；3) 用聚合物光學(xué)棱鏡的材料注模，復(fù)制出棱鏡或棱鏡陣列；4) 用聚合物材料注模復(fù)制出樣品流道結(jié)構(gòu)；5) 在聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列背面濺射或電子束蒸發(fā)形成金屬膜；6) 將聚合物棱鏡或聚合物棱鏡陣列及樣品流道結(jié)構(gòu)與硅模具進(jìn)行剝離；7) 通過(guò)熱壓將聚合物光學(xué)棱鏡與聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)鍵合在一起。
7、 如權(quán)利要求6所述的聚合物SPR芯片的制備方法，其特征在于在步驟7)之前， 在所述聚合物樣品流道結(jié)構(gòu)上，與聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列鍵合處，涂上SU8 光刻膠。
全文摘要
本發(fā)明提供一種表面等離子體諧振(Surface Plasmon Resonance，SPR)芯片及制備方法，屬于微機(jī)電系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，該SPR芯片包括反射棱鏡、金屬膜和樣品流道結(jié)構(gòu)，棱鏡為一聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列，金屬膜在所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列的背面，與聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列相對(duì)應(yīng)的一個(gè)或多個(gè)樣品流道結(jié)構(gòu)也采用聚合物材料，樣品流道結(jié)構(gòu)與所述聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列熱壓鍵合在一起。本發(fā)明通過(guò)MEMS微加工的方法制作聚合物光學(xué)棱鏡或聚合物光學(xué)棱鏡陣列及樣品流道結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)批量化生產(chǎn)。本發(fā)明SPR芯片不僅成本低，而且便于攜帶，適用于實(shí)時(shí)檢測(cè)和一次性使用。
文檔編號(hào)G01N21/55GK101398377SQ20071012238
公開(kāi)日2009年4月1日 申請(qǐng)日期2007年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月25日
發(fā)明者旭 季, 李志宏, 夏 樓, 耿照新 申請(qǐng)人:北京大學(xué)