專利名稱：透射式金屬光柵耦合spr檢測芯片及檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明特別涉及表面等離子體共振(SPR)生物、化學(xué)檢測技術(shù)領(lǐng)域的一種透射式金屬光柵耦合SPR檢測芯片及檢測儀。
背景技術(shù)：
1983年，Nylander和Liedberg將SI3R技術(shù)用于氣體檢測和生物傳感器中，此后該技術(shù)受到了廣大研究人員的關(guān)注并持續(xù)快速的發(fā)展起來，出現(xiàn)了檢測物理、化學(xué)、生物量的多種類型的新型sra傳感結(jié)構(gòu)和器件。sra技術(shù)具有靈敏度高、無需標(biāo)記、穩(wěn)定快速、便捷實(shí)時等特點(diǎn)，特別適合研究生物分子相互作用。SI^R技術(shù)是基于光波與金屬電子相互作用的物理現(xiàn)象。當(dāng)入射光和金屬表面的自由電子相互作用，在一定的條件下入射光波將激發(fā)電荷密度波，從而導(dǎo)致透射光的強(qiáng)度大大增強(qiáng)，這一現(xiàn)象被稱為表面等離子體共振透射增強(qiáng)，此時的入射角被稱為諧振角。諧振角與金屬表面物質(zhì)的折射率變化有關(guān)，而折射率的變化與吸附或者特異性結(jié)合在金屬表面的物質(zhì)有關(guān)，因此金屬敏感膜表面的變化會導(dǎo)致共振峰的移動。通過檢測吸共振的變化，即可檢測生化反應(yīng)的動態(tài)過程，并通過與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較即可得到被檢測樣品的濃度。根據(jù)激發(fā)共振方式的差別，表面等離子體共振傳感器的類型主要分為棱鏡型、波導(dǎo)型和光柵型，即三種耦合方式。其中，大多數(shù)sra裝置采用棱鏡耦合入射光，因?yàn)槠渲谱飨鄬唵?，但也存在局限性，例如棱鏡上直接鍍金屬薄膜存在一定的困難，而且檢測生物樣品時，需要調(diào)節(jié)入射光的角度，增大了儀器的體積，不利于小型化的發(fā)展。波導(dǎo)耦合方式通常采用光纖做波導(dǎo)，剝?nèi)ス饫w某段包層，再鍍上金屬，但這種方式實(shí)驗(yàn)難度比較大。而傳統(tǒng)的光柵耦合僅利用光柵的選頻特性來選擇入射光的波長，仍然是測試反射光譜，即共振峰的強(qiáng)度隨入射光的角度變化的曲線。這種耦合方式僅僅比棱鏡耦合方式中芯片的體積減小，但仍需要調(diào)節(jié)入射光的角度，增大檢測儀的體積。利用透射式光柵耦合入射光，只需要固定入射角度，通過檢測透射率隨波長的變化，即測定SPR峰位置的變化來檢測生物信息。利用光柵耦合式SPR生物檢測技術(shù)，可以使得檢測儀器機(jī)構(gòu)更簡單、檢測更穩(wěn)定和檢測芯片及檢測儀器更小型化。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片及檢測儀，其可以通過固定入射光角度實(shí)時檢測樣品，從而克服了現(xiàn)有技術(shù)中的不足。一種透射式金屬光柵耦合SI^R檢測芯片，其特征在于，它包括透光性基底；形成于基底上的、具有光柵結(jié)構(gòu)的金屬膜層；以及，覆設(shè)于金屬膜層表面的微流體層，所述微流體層中分布有微流體通道，且所述微流體通道與金屬膜表面接觸。作為優(yōu)選的方案，所述金屬膜層表面還可修飾有能夠與被檢測物中的目標(biāo)成分結(jié)合的材料。所述微流體層與金屬膜層鍵合。優(yōu)選的，所述金屬膜層的厚度不超過200nm。優(yōu)選的，所述光柵結(jié)構(gòu)的周期不超過3000nm作為一種更為優(yōu)選的方案，所述光柵結(jié)構(gòu)由矩形條陣列組成，占空比的范圍為 10% -25%。所述金屬膜層由Au形成。所述微流體層由有機(jī)材料形成，所述有機(jī)材料包括聚二甲基硅氧烷。 一種透射式金屬光柵耦合sra檢測儀，包括光源以及光譜儀，其特征在于，所述檢測儀還包括設(shè)于光源和光譜儀之間形成的光路上的如上所述的透射式金屬光柵耦合sra 檢測芯片，且該檢測芯片的透光性基底所在一側(cè)面向光源。所述透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片與光源和光譜儀之間還分別設(shè)有聚焦棱
鏡單元。通過前述芯片結(jié)構(gòu)設(shè)計，本發(fā)明利用光柵耦合入射光與金屬表面的自由電子發(fā)生共振，形成沿著金屬表面?zhèn)鞑サ碾娮邮杳懿幢砻娴入x子體激元，檢測透射光譜的峰位變化即SPR的響應(yīng)峰的峰位變化檢測生物分子、液體濃度等。具體而言，入射光直接入射到金屬表面無法產(chǎn)生表面等離子體激元共振，這是由材料的色散關(guān)系決定的。表面等離子體波的色散曲線處于入射光波色散曲線的右側(cè)，同一頻率下，表面等離子體的波矢Ko比平面Ksp大，兩者無交點(diǎn)，也就是說表面等離子體波傳播模式與入射光的傳播模式無法實(shí)現(xiàn)耦合，因此必須采用適當(dāng)?shù)姆椒ㄒ胨讲ㄊ竵砀淖儽砻娴入x子體波色散曲線與入射光波色散曲線的相對位置，使二者具有相同的頻率和波數(shù)， 也就是要滿足動量守恒定律，從而激發(fā)產(chǎn)生表面等離子體共振。光柵耦合方式是引入一個額外的波矢量得增量實(shí)現(xiàn)波矢匹配，以滿足表面等離子體激元的激發(fā)條件。為此，本發(fā)明將金屬膜做成周期變化的光柵結(jié)構(gòu)即形成金屬光柵來實(shí)現(xiàn)對入射光的耦合增強(qiáng)。同時，金屬光柵的周期、金屬的介電常數(shù)以及光柵上下介質(zhì)的介電常數(shù)決定了表面等離子體響應(yīng)峰值的位置，即決定了等離子體共振增強(qiáng)的波長位置，當(dāng)吸附在納米金屬薄膜材料上的被檢測樣品與金屬表面蛋白反應(yīng)，或者被檢測樣品濃度發(fā)生改變時，都會使金屬表面上介質(zhì)的介電常數(shù)改變，從而使隨波長變化的響應(yīng)峰的峰位發(fā)生位移，進(jìn)而可以反映出被測樣品的生物信息的變化。與傳統(tǒng)棱鏡耦合sra生物檢測器等現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的積極效果在于該透射式金屬光柵耦合SI^R檢測芯片和檢測儀可以通過檢測透射光譜的峰位變化即SI^R的響應(yīng)峰的峰位變化對被檢測樣品進(jìn)行分析，無需改變?nèi)肷浣堑慕嵌?，進(jìn)而大大減少了儀器體積和成本，檢測更加穩(wěn)定準(zhǔn)確，具有可實(shí)時監(jiān)控、靈敏度高、穩(wěn)定快速、體積小、攜帶與操作方便等優(yōu)點(diǎn)。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例1中透射式金屬光柵耦合SI^R檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例1中透射式金屬光柵耦合SI^R檢測芯片的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖3a為圖2中所示金屬光柵耦合層的立體圖北為圖2中所示金屬光柵耦合層的剖面結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為本發(fā)明實(shí)施例2中應(yīng)用透射式金屬光柵耦合SI3R檢測芯片檢測乙醇濃度時的曲線圖。
具體實(shí)施例方式以下接合附圖及若干較佳實(shí)施例對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的說明。實(shí)施例1參閱圖1，該透射式金屬光柵耦合Sra檢測儀包括光源1、光譜儀2以及由一片以上透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片3組成的芯片組，該芯片組置于光源ι和光譜儀2之間形成的光路上，且芯片組和光源1及光譜儀2之間還分別設(shè)有聚焦棱鏡4、5。前述光源優(yōu)選采用近紅外激光器，其發(fā)射光波長范圍根據(jù)檢測芯片3中光柵結(jié)構(gòu)而定。前述光譜儀優(yōu)選采用帶光纖傳輸?shù)墓庾V儀，其接收光波長范圍與激光器的發(fā)射光波長對應(yīng)，比如，可在350-1200nm。前述檢測芯片3包括透光性襯底31、金屬光柵耦合層32以及微流體層33，該微流體層中分布微流體通道34，微流體通道與金屬光柵耦合層交叉接觸。前述透光性襯底優(yōu)選采用常見玻璃襯底，當(dāng)然也可采用其他透明的無機(jī)或有機(jī)襯底；前述金屬光柵耦合層是由形成于襯底表面的金屬薄膜構(gòu)成，該金屬薄膜具有光柵結(jié)構(gòu)。該光柵結(jié)構(gòu)可以是由長方形條組成的陣列，其周期不超過3000nm，優(yōu)選為Ιμπι 311!11，尤其優(yōu)選為14111。該光柵結(jié)構(gòu)的占空比范圍可為10% -25%，優(yōu)選的是陣列中兩個長方形體中心之間距離為1 μ m,每一長方形條寬500nm。該金屬薄膜厚度不超過200歷，優(yōu)選為IOOnm 200歷，尤其優(yōu)選采用厚IOOnm的
Au膜。前述微流體層由具有較好透光性的材料形成，例如，可選用聚二甲基硅氧烷 (Polydimethylsiloxane, PDMS)作為主體材料。前述檢測芯片3的制備和應(yīng)用方法如下1)在襯底上以磁控濺射等工藝生長金屬薄膜；2)采用步進(jìn)式光刻機(jī)，制備出金屬光柵的圖形掩膜，再用IBE刻蝕機(jī)刻蝕金屬薄膜，其后去掉掩膜用的光刻膠，形成金屬光柵結(jié)構(gòu)；3)將制備好的芯片組以生物蛋白修飾，即使生物蛋白鍵合、粘附在金屬光柵耦合層表面，當(dāng)含有某種病毒的樣品通過金屬表面時，就能粘附在對應(yīng)這種病毒的蛋白鍵上，使得金屬表面介質(zhì)的介電常數(shù)改變；4)微流體層的制作以聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，PDMS)為主體材料，通過光刻膠的掩膜，用紫外曝光機(jī)制備出微流體通道的圖形，然后刻蝕圖形；5)將制好的金屬光柵耦合層和微流體層鍵合；6)搭建檢測平臺(即前述透射式金屬光柵耦合sra檢測儀)，由光源發(fā)射的光從芯片3的襯底處入射到芯片3中，芯片3正面用光譜儀接收信號；7)在微流體通道中滴入被檢測樣品，開始測試。實(shí)施例2本實(shí)施例透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片的結(jié)構(gòu)、制備和應(yīng)用方法與實(shí)施例基本相同，但在金屬光柵耦合層表面未作修飾。其在應(yīng)用時，可在搭建測試平臺后， 通過向芯片中的微流體通道中直接滴入被測樣品，進(jìn)而測試某樣品濃度的變化。例如檢測酒精揮發(fā)致使的介質(zhì)層介電常數(shù)改變引共振峰的位移。首先將一定濃度的乙醇滴在有光柵結(jié)構(gòu)的金屬耦合層表面，根據(jù)其透射光譜，得到一個共振峰。隨時間的增長金膜表面的乙醇濃度逐漸降低，界面層的介電常數(shù)會改變，導(dǎo)致共振峰的移動，如圖4所示。此檢測儀還可以運(yùn)用于除酒精之外的其他樣品的檢測等。上述實(shí)施例僅為說明本發(fā)明的技術(shù)構(gòu)思及特點(diǎn)，其目的在于讓熟悉此項(xiàng)技術(shù)的人士能夠了解本發(fā)明的內(nèi)容并據(jù)以實(shí)施，并不能以此限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。凡根據(jù)本發(fā)明精神實(shí)質(zhì)所作的等效變化或修飾，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種透射式金屬光柵耦合SI^R檢測芯片，其特征在于，它包括透光性基底；形成于基底上的、具有光柵結(jié)構(gòu)的金屬膜層；以及，覆設(shè)于金屬膜層表面的微流體層，所述微流體層中分布有微流體通道，且所述微流體通道與金屬膜表面接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述金屬膜層表面還修飾有能夠與被檢測物中的目標(biāo)成分結(jié)合的材料。
3.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述微流體層與金屬膜層鍵合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項(xiàng)所述的透射式金屬光柵耦合SI^R檢測芯片，其特征在于 所述金屬膜層的厚度< 200nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述光柵結(jié)構(gòu)的周期< 3000nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求ι或5所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述光柵結(jié)構(gòu)由矩形條陣列組成，占空比的范圍為10% -25%。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述金屬膜層由Au形成。
8.根據(jù)權(quán)利要求ι所述的透射式金屬光柵耦合sra檢測芯片，其特征在于所述微流體層由有機(jī)材料形成，所述有機(jī)材料包括聚二甲基硅氧烷。
9.一種透射式金屬光柵耦合SI^R檢測儀，包括光源以及光譜儀，其特征在于，所述檢測儀還包括設(shè)于光源和光譜儀之間形成的光路上的如權(quán)利要求1所述的透射式金屬光柵耦合SPR檢測芯片，且該檢測芯片的透光性基底所在一側(cè)面向光源。
10.如權(quán)利要求9所述的透射式金屬光柵耦合SI^R檢測儀，其特征在于所述透射式金屬光柵耦合SPR檢測芯片與光源和光譜儀之間還分別設(shè)有聚焦棱鏡單元。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種透射式金屬光柵耦合SPR檢測芯片及檢測儀，用于檢測微流體中目標(biāo)分析物。該檢測芯片包括透光性基底；形成于基底上的、具有光柵結(jié)構(gòu)的金屬膜層；以及覆設(shè)于金屬膜層表面的微流體層，所述微流體層中分布有微流體通道，且所述微流體通道與金屬膜表面接觸。該檢測儀包括光源、光譜儀及前述檢測芯片。本發(fā)明利用表面等離子體激元的局域特性和光柵的選頻特性，實(shí)現(xiàn)了信號的增強(qiáng)和濾波，并通過入射光經(jīng)過光柵耦合后，測得透射率峰值的變化，來檢測被測物體的生物信息或者濃度的變化。本發(fā)明檢測時無需改變?nèi)肷浣堑慕嵌龋哂锌蓪?shí)時監(jiān)控、靈敏度高、穩(wěn)定快速、儀器體積小、攜帶與操作方便等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號G01N21/59GK102288583SQ201110198240
公開日2011年12月21日 申請日期2011年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2011年7月15日
發(fā)明者付凱, 劉冬, 劉帆, 張寶順, 李海軍, 楊樂臣 申請人:中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所