專利名稱：一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種生物傳感器，尤其涉及一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器及其制備方法。
背景技術(shù)：
表面等離子體是一種在金屬和介質(zhì)界面上傳播的電磁波，由入射光場(chǎng)與金屬表面電子相互作用產(chǎn)生。表面等離子體的共振條件對(duì)金屬表面介質(zhì)的折射率微小變化非常敏感。表面等離子體共振生物傳感器是表征生物分子相互作用的主要工具。表面等離子體共振生物傳感器的基本原理是通過(guò)記錄表面等離子體共振角或共振波長(zhǎng)的變化，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)表面待測(cè)分析物折射率的檢測(cè)。與其它類型的生物傳感器相比，基于表面等離子體共振的生物傳感器通過(guò)檢測(cè)樣本折射率的改變來(lái)識(shí)別樣本，不需要熒光標(biāo)簽或者其他標(biāo)簽，能夠?qū)ι飿悠愤M(jìn)行原位、無(wú)損且無(wú)標(biāo)記的檢測(cè)，因此表面等離子體生物傳感器是無(wú)污染的高靈 敏度生物傳感器。目前基于表面等離子體的生物傳感器一般采用Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)，p偏振光經(jīng)過(guò)棱鏡以一定角度入射到棱鏡與金屬膜的界面。對(duì)于一定的入射角度和光波長(zhǎng)，棱鏡提供入射電磁波和表面等離子體之間的波矢匹配。然而,Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)體積龐大,不易集成和攜帶。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)目前基于表面等離子體的生物傳感器采用的Kretschmann棱鏡結(jié)構(gòu)存在的上述不足，提供一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的表面等離子體共振生物傳感器及其制備方法。
本發(fā)明解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結(jié)構(gòu)，所述貴金屬薄膜設(shè)置于襯底上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)設(shè)置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)包括多行等間距分布且相互平行的通孔結(jié)構(gòu)，所述周期性納米結(jié)構(gòu)用于提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配。在上述技術(shù)方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可以做如下改進(jìn)。進(jìn)一步，所述每個(gè)通孔結(jié)構(gòu)包括多個(gè)等間距分布的通孔，所述周期性納米結(jié)構(gòu)的厚度為250納米 550納米。進(jìn)一步，所述通孔的形狀為圓形或者正方形。進(jìn)一步，所述通孔的邊長(zhǎng)或者直徑為300納米 600納米，所述通孔結(jié)構(gòu)之間的間距為550納米 800納米，所述通孔之間的間距為550納米 800納米。進(jìn)一步，所述襯底為固體材料、有機(jī)自支撐薄膜或者無(wú)機(jī)自支撐薄膜。進(jìn)一步，所述固體材料為熔融石英、普通玻璃、有機(jī)玻璃或者硅，所述有機(jī)自支撐薄膜為聚酰亞胺薄膜，所述無(wú)機(jī)自支撐薄膜為碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
進(jìn)一步，所述貴金屬薄膜的材料為金、銀或者鋁，所述貴金屬薄膜的厚度為20納米 70納米。本發(fā)明還提供一種解決上述技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案如下一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器的制備方法包括以下步驟
步驟一在經(jīng)過(guò)清潔處理后的襯底上利用電子束蒸發(fā)形成貴金屬薄膜；
步驟二 在所述貴金屬薄膜上形成介質(zhì)層；
步驟三在所述介質(zhì)層上形成多個(gè)周期性排列的通孔從而形成周期性納米結(jié)構(gòu)。所述步驟二形成介質(zhì)層的方法為生長(zhǎng)或者旋涂。進(jìn)一步，當(dāng)所述介質(zhì)層為氮化硅或者碳化硅時(shí)，所述介質(zhì)層上的多個(gè)周期性排列 的通孔是在介質(zhì)層上旋涂一層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，再利用電子束直寫得到抗蝕劑周期性圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質(zhì)層，再去除抗蝕劑之后而得到的。進(jìn)一步，當(dāng)所述介質(zhì)層為在貴金屬薄膜上涂覆電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA后，再經(jīng)過(guò)熱處理固化而形成時(shí)，所述介質(zhì)層上的多個(gè)周期性排列的通孔是利用電子束直寫介質(zhì)層上周期孔圖形，再經(jīng)過(guò)顯影、定影和熱處理而得到的。本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器能夠克服傳統(tǒng)生物傳感器體積龐大的缺點(diǎn)，提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配，并且所有的制作工藝同標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝兼容，制作工藝簡(jiǎn)單，體積較小且易于集成。


圖I為本發(fā)明實(shí)施例基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器的結(jié)構(gòu)示意 圖2為本發(fā)明實(shí)施例周期性納米結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意 圖3為本發(fā)明實(shí)施例周期性納米結(jié)構(gòu)不同周期大小時(shí)的反射特性 圖4為本發(fā)明基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器制備方法實(shí)施例一的流程示意 圖5為本發(fā)明基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器制備方法實(shí)施例二的流程示意圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的原理和特征進(jìn)行描述，所舉實(shí)例只用于解釋本發(fā)明，并非用于限定本發(fā)明的范圍。如圖I所示，所述基于周期性納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振的生物傳感器包括襯底I、貴金屬薄膜2和周期性納米結(jié)構(gòu)3。所述貴金屬薄膜2設(shè)置于襯底I上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)3設(shè)置于貴金屬薄膜2上。所述襯底I可以為熔融石英、普通玻璃、有機(jī)玻璃或者硅，也可以為有機(jī)或者無(wú)機(jī)自支撐薄膜包括聚酰亞胺薄膜、碳化硅薄膜、氮化硅薄膜等。所述貴金屬薄膜的成分可以為金、銀、鋁等金屬。所述基于周期性納米結(jié)構(gòu)表面等離子體共振的生物傳感器在使用時(shí)，將待測(cè)液體4放在周期性納米結(jié)構(gòu)3上，光源5和半反半透鏡7設(shè)置于生物傳感器的上方，光源5和半反半透鏡7位于同一水平面上，光譜儀6設(shè)置于半反半透鏡7的正上方。光源5發(fā)出的探測(cè)光垂直入射到周期性納米結(jié)構(gòu)3上；周期性納米結(jié)構(gòu)3上分布有多個(gè)周期性陣列排列的通孔，使得探測(cè)光垂直入射到多個(gè)周期性陣列排列的通孔上。測(cè)量過(guò)程為光源5發(fā)出的探測(cè)光照射到半反半透鏡7上，經(jīng)過(guò)7的反射垂直照到周期性納米結(jié)構(gòu)3上面的待測(cè)液體4中，從待測(cè)液體4中反射出來(lái)的光經(jīng)過(guò)半反半透鏡7被光譜儀6接收，得到待測(cè)光譜結(jié)果，用該結(jié)果同沒(méi)有放置待測(cè)液的光譜結(jié)果相比較，得到待測(cè)液的折射率。如圖2所示，周期性納米結(jié)構(gòu)3包括至少兩行等間距分布且相互平行的通孔結(jié)構(gòu)，每個(gè)通孔結(jié)構(gòu)包括至少兩個(gè)等間距分布的通孔，周期性納米結(jié)構(gòu)3用于提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配，貴金屬薄膜2的厚度設(shè)計(jì)為20到70納米，周期性納米結(jié)構(gòu)3的厚度250到550納米，通孔的形狀為圓形或者正方形，在本實(shí)施例中，通孔的形狀為正方形，方孔的邊長(zhǎng)為300到600納米，相鄰兩個(gè)方孔之間的距離為550到800納米。如圖3所示，為本發(fā)明實(shí)施例中選取不同周期大小的周期性納米結(jié)構(gòu)的反射譜特性圖。所用表面等離子體共振生物傳感器結(jié)構(gòu)中金膜厚度為55納米，周期性納米結(jié)構(gòu)的厚度為400納米，介質(zhì)方孔的邊長(zhǎng)為465納米，相鄰兩個(gè)方孔之間的距離P分別為550，600、650和700納米。從圖3可以看出，隨周期增大，表面等離子體共振波長(zhǎng)紅移。周期納米介質(zhì)結(jié)構(gòu)的這種特性使我們可以根據(jù)需要制作不同周期大小的納米結(jié)構(gòu)，滿足不同波長(zhǎng)情況下的測(cè)量。
如圖4和圖5所示，圖4和圖5為本發(fā)明實(shí)施例中生物傳感器的制作方法流程圖
1)在清潔處理好的固體襯底上利用電子束蒸發(fā)20納米到70納米的貴金屬薄膜；
2)介質(zhì)層可以為氮化硅或者碳化硅，也可以為電子束抗蝕劑Z印520A或PMMA，經(jīng)過(guò)熱處理固化；
3)如果介質(zhì)層為電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，利用電子束直寫介質(zhì)上周期孔圖形，顯影，定影，熱處理得到周期介質(zhì)結(jié)構(gòu)；如果介質(zhì)層為氮化硅或者碳化硅，在該層結(jié)構(gòu)上再旋涂一層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，利用電子束直寫得到抗蝕劑周期圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質(zhì)層，去除抗蝕劑之后得到介質(zhì)周期結(jié)構(gòu)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結(jié)構(gòu)，所述貴金屬薄膜設(shè)置于襯底上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)設(shè)置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)包括多行等間距分布且相互平行的通孔結(jié)構(gòu)，所述周期性納米結(jié)構(gòu)用于提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述每個(gè)通孔結(jié)構(gòu)包括多個(gè)等間距分布的通孔，所述周期性納米結(jié)構(gòu)的厚度為250納米 550納米。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述通孔的形狀為圓形或者正方形。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述通孔的邊長(zhǎng)或者直徑為300納米 600納米，所述通孔結(jié)構(gòu)之間的間距為550納米 800納米，所述通孔之間的間距為550納米 800納米。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述襯底為固體材料、有機(jī)自支撐薄膜或者無(wú)機(jī)自支撐薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述固體材料為熔融石英、普通玻璃、有機(jī)玻璃或者硅，所述有機(jī)自支撐薄膜為聚酰亞胺薄膜，所述無(wú)機(jī)自支撐薄膜為碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器，其特征在于，所述貴金屬薄膜的材料為金、銀或者鋁，所述貴金屬薄膜的厚度為20納米 70納米。
8.一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟 步驟ー在經(jīng)過(guò)清潔處理后的襯底上利用電子束蒸發(fā)形成貴金屬薄膜； 步驟ニ 在所述貴金屬薄膜上形成介質(zhì)層； 步驟三在所述介質(zhì)層上形成多個(gè)周期性排列的通孔從而形成周期性納米結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器的制備方法，其特征在于，當(dāng)所述介質(zhì)層為氮化硅或者碳化硅時(shí)，所述介質(zhì)層上的多個(gè)周期性排列的通孔是在介質(zhì)層上旋涂ー層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，再利用電子束直寫得到抗蝕劑周期性圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質(zhì)層，再去除抗蝕劑之后而得到的。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器的制備方法，其特征在干，當(dāng)所述介質(zhì)層為在貴金屬薄膜上涂覆電子束抗蝕劑Z印520A或PMMA后，再經(jīng)過(guò)熱處理固化而形成時(shí)，所述介質(zhì)層上的多個(gè)周期性排列的通孔是利用電子束直寫介質(zhì)層上周期孔圖形，再經(jīng)過(guò)顯影、定影和熱處理而得到的。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器及其制備方法。所述生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結(jié)構(gòu)，所述貴金屬薄膜設(shè)置于襯底上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)設(shè)置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結(jié)構(gòu)包括多行等間距分布且相互平行的通孔結(jié)構(gòu)，所述周期性納米結(jié)構(gòu)用于提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配。本發(fā)明基于周期性納米結(jié)構(gòu)的生物傳感器能夠克服傳統(tǒng)生物傳感器體積龐大的缺點(diǎn)，提供激發(fā)表面等離子體所需的波矢匹配，并且所有的制作工藝同標(biāo)準(zhǔn)的半導(dǎo)體工藝兼容，制作工藝簡(jiǎn)單，體積較小且易于集成。
文檔編號(hào)G01N21/55GK102798615SQ20111013321
公開日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者李海亮, 史麗娜, 朱效立, 李冬梅, 謝常青, 劉明 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院微電子研究所