本發(fā)明屬于傳感器，特別涉及一種表面?zhèn)鞲衅骷捌渲苽浞椒ê蛻?yīng)用。

背景技術(shù)：

1、等離子共振生物傳感器越來越多地應(yīng)用于醫(yī)學(xué)診斷，食品安全和環(huán)境監(jiān)測中。在外界光源的激發(fā)下，貴金屬層與介質(zhì)之間的表面等離子體共振(spr)對周圍介質(zhì)的折射率(ri)變化產(chǎn)生敏感響應(yīng)，通過測量這些共振條件(例如，角度、波長、強(qiáng)度或相位)的變化，可以直接實(shí)時監(jiān)測傳感器表面發(fā)生的分子相互作用。這種獨(dú)特的特性使等離子共振生物傳感器成為實(shí)時和無標(biāo)簽分析不可或缺的工具，表面折射率傳感器以其高靈敏度和多功能性，具有巨大的應(yīng)用潛力。

2、目前，在spr傳感技術(shù)中，主要是傳播表面等離激元(pspr)和局域表面等離激元(lspr)。pspr的傳播電場長度大，lspr的電場一般局域在幾個納米的范圍內(nèi)，靈敏度高。光纖表面等離子體共振生物傳感器主要是基于光纖表面等離子體共振傳感原理，通過探測光纖表面倏逝場區(qū)內(nèi)折射率的變化來分析被測生物分子的特性。為了獲得高的靈敏度，上述方式需協(xié)同其他檢測方式(熒光、磁性、電學(xué)等聯(lián)用手段)，此時需要分析物功能化(修飾標(biāo)簽)，如修飾熒光基團(tuán)，磁性基團(tuán)，顯色基團(tuán)等。然而，盡管pspr具有良好的靈敏性，但是其需要依賴復(fù)雜的設(shè)備和高昂的成本，難以由龐大的系統(tǒng)和設(shè)備轉(zhuǎn)化為小型集成化儀器。lspr結(jié)構(gòu)較為簡單，但是其諧振峰的線寬比較大、品質(zhì)因子較低，難以實(shí)現(xiàn)工業(yè)化的重復(fù)性和再現(xiàn)性。光纖傳感器雖然在體積上具有一定的優(yōu)勢，但是其具有復(fù)雜的光學(xué)設(shè)計(jì)，高精度的加工和裝配，在生產(chǎn)成本、加工難度及重復(fù)性上難以實(shí)現(xiàn)，且分析物修飾標(biāo)簽的引入，增加了額外步驟，相應(yīng)地增加了檢測時長、測試誤差和成本。

3、因此，提供一種靈敏度高、易加工、成本低的表面?zhèn)鞲衅骶哂惺种匾囊饬x。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的一個或多個技術(shù)問題，至少提供一種有益的選擇或創(chuàng)造條件。具體而言，本發(fā)明提供一種表面?zhèn)鞲衅?，其靈敏度高、易加工、成本低，可轉(zhuǎn)化為小型集成化儀器。

2、本發(fā)明的發(fā)明構(gòu)思：本發(fā)明表面?zhèn)鞲衅靼▊鞲行酒臀⒘骺赝ǖ?；所述傳感芯片和所述微流控通道具有凹凸面的一?cè)相對放置，形成流體通道；所述微流控通道具有凹槽結(jié)構(gòu)；所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面設(shè)置有凸起結(jié)構(gòu)；所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面和所述凸起結(jié)構(gòu)的上端面均分布有微米柱；所述凸起結(jié)構(gòu)垂直于流體方向且呈陣列排布。本發(fā)明凸起結(jié)構(gòu)和微米柱的設(shè)置，使得微流控通道內(nèi)的流場發(fā)生改變，相比于無結(jié)構(gòu)的流場，流體的流速增加，加快了微流控通道內(nèi)物質(zhì)交換速率，降低法布里-珀羅(fp)干涉現(xiàn)象對測試光譜的影響，降低甚至消除fp共振的影響，進(jìn)而降低測試誤差，提高檢測靈敏度。

3、因此，本發(fā)明的第一方面提供一種表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

4、具體的，所述表面?zhèn)鞲衅?，包括微流控通道和傳感芯片；所述傳感芯片和所述微流控通道具有凹凸面的一?cè)相對放置，形成流體通道；

5、所述微流控通道具有凹槽結(jié)構(gòu)；所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面設(shè)置有凸起結(jié)構(gòu)；

6、所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面和所述凸起結(jié)構(gòu)的上端面均分布有微米柱；

7、所述凸起結(jié)構(gòu)垂直于流體方向且呈陣列排布。

8、具體的，所述傳感芯片的結(jié)構(gòu)區(qū)和所述微流控通道具有凹凸面的結(jié)構(gòu)區(qū)相對放置，所述傳感芯片的非結(jié)構(gòu)區(qū)和所述微流控通道的非結(jié)構(gòu)區(qū)貼合在一起，形成流體通道，得到所述表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

9、優(yōu)選地，所述凹槽結(jié)構(gòu)的深度為12-33μm；所述凹槽結(jié)構(gòu)的寬度為200-1500μm。

10、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述凹槽結(jié)構(gòu)的深度為10-30μm；所述凹槽結(jié)構(gòu)的寬度為220-1000μm。

11、更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述凹槽結(jié)構(gòu)的深度為10μm；所述凹槽結(jié)構(gòu)的寬度為500μm。

12、優(yōu)選地，所述凹槽結(jié)構(gòu)為工型凹槽。

13、優(yōu)選地，所述凸起結(jié)構(gòu)的高度為4.5-10μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的寬度為18-42μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的長度為100-1000μm；相鄰的凸起結(jié)構(gòu)之間的距離為8-32μm。

14、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述凸起結(jié)構(gòu)的高度為5-10μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的寬度為20-40μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的長度為100-1000μm；相鄰的凸起結(jié)構(gòu)之間的距離為10-30μm。

15、更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述凸起結(jié)構(gòu)的高度為5μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的寬度為30μm；所述凸起結(jié)構(gòu)的長度為500μm；相鄰的凸起結(jié)構(gòu)之間的距離為20μm。

16、優(yōu)選地，所述微米柱的直徑為0.9-3.3μm；所述微米柱的高度為0.8-1.2μm；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述微米柱的直徑為1-3μm；所述微米柱的高度為0.9-1.1μm。

17、優(yōu)選地，所述微米柱在所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面和所述凸起結(jié)構(gòu)的上端面上隨機(jī)分布。

18、具體的，相對于平整、無凸起結(jié)構(gòu)的微流控通道，本發(fā)明通過在微流控通道中設(shè)置一定尺寸的凸起結(jié)構(gòu)和微米柱，使得微流控通道內(nèi)的流場發(fā)生改變，流體的流速增加，可加快通道內(nèi)物質(zhì)交換速率，降低fp干涉效應(yīng)對測試光譜的影響，降低測試誤差，提高檢測靈敏度。

19、優(yōu)選地，所述微流控通道沿長度方向的兩端各設(shè)置一個孔，分別作為檢測溶液的入口和出口。

20、優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.3-1mm；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.65-0.75mm；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.7mm。

21、優(yōu)選地，所述傳感芯片依次包括襯底、介質(zhì)層、金屬層，介質(zhì)層具有多個介質(zhì)凹槽，多個所述介質(zhì)凹槽周期性等間距分布；所述介質(zhì)凹槽在自其槽口到槽底的方向上的開口寬度逐漸減?。凰鼋饘賹釉O(shè)在所述介質(zhì)層之上并對應(yīng)各所述介質(zhì)凹槽形成金屬凹槽。

22、具體的，本發(fā)明傳感芯片同公開號為cn113433094a的現(xiàn)有技術(shù)中公開的結(jié)構(gòu)的區(qū)別僅在于，金屬層的種類存在差異，本發(fā)明金屬層包括金層、銀層、鋁層、銅層中的至少一種，而現(xiàn)有技術(shù)中金屬層選自金層、銀層、鉑層中的至少一種，其他同公開號為cn113433094a的現(xiàn)有技術(shù)。

23、優(yōu)選地，所述傳感芯片中，所述金屬層可以是金屬層的單層結(jié)構(gòu)，也可以是不同的金屬層構(gòu)成的疊層結(jié)構(gòu)；比如，金屬層可以是金層、鋁層、銀層或銅層的單層結(jié)構(gòu)，也可以是金層、鋁層、銀層及銅層中至少兩種組成的疊層結(jié)構(gòu)。

24、具體的，金具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及生物相容性，是生物傳感的優(yōu)選材料，但考慮到金的價格較為昂貴，且納米轉(zhuǎn)印技術(shù)及生物傳感芯片工作環(huán)境需要較厚的金屬層(～300nm)，因此本發(fā)明優(yōu)選采用50-100nm?au與200-250nm其他金屬層(ag、cu、al或其他價格低、反射率高的金屬)疊加的方式，在實(shí)現(xiàn)生物傳感功能的前提下，降低生物傳感器的加工成本，便于降低大批量生產(chǎn)的成本。

25、本發(fā)明的第二方面提供一種本發(fā)明第一方面所述的表面?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒ā?/p>

26、具體的，所述表面?zhèn)鞲衅鞯闹苽浞椒?，包括以下步驟：

27、將所述微流控通道和所述傳感芯片具有凹凸面的一側(cè)相對放置，制得所述表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

28、具體的，因微流控通道和傳感芯片結(jié)構(gòu)特征的尺寸屬于不同的尺寸等級，因此相當(dāng)于將兩者具有結(jié)構(gòu)特征的側(cè)面對應(yīng)放置，非結(jié)構(gòu)特征區(qū)貼合在一起，配合后結(jié)構(gòu)特征區(qū)形成一個空間，作為流體通道，以供檢測流體通過。

29、優(yōu)選地，所述微流控通道的制備方法，包括以下步驟：

30、(1)在模板上形成隨機(jī)分布的微孔，得到分布有微孔的模板；

31、(2)在步驟(1)所得的模板的表面覆蓋掩膜材料，通過光刻形成具有光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料，以具有光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料作為掩模，對模版進(jìn)行蝕刻，在模板上形成陣列排布的光柵結(jié)構(gòu)；

32、(3)在步驟(2)所得的模板的表面覆蓋掩膜材料，通過光刻形成覆蓋所述光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料，以覆蓋所述光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料作為掩模，對模版進(jìn)行蝕刻，在模板上形成輔助凸起；

33、(4)將有機(jī)硅混合物覆蓋在步驟(3)所得的模板上，固化、分離，得到微流控通道。

34、具體的，步驟(1)中，在模版表面覆蓋掩膜材料，通過光刻，在掩膜材料上得到圓孔，然后進(jìn)行刻蝕，模版上圓孔對應(yīng)的位置處形成微孔。

35、優(yōu)選地，步驟(1)中，所述微孔的直徑為0.9-3.3μm；所述微孔的深度為0.8-1.2μm；進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(1)中，所述微孔的直徑為1-3μm；所述微孔的深度為0.9-1.1μm。

36、具體的，根據(jù)所設(shè)計(jì)的微流控通道的結(jié)構(gòu)特征，使得所述微孔隨機(jī)分布在步驟(2)所述光柵結(jié)構(gòu)所對應(yīng)的模板區(qū)域及附近，并保證微孔在光柵結(jié)構(gòu)位置處及相鄰光柵結(jié)構(gòu)之間均分布有微孔。

37、具體的，步驟(2)中，以具有光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料作為掩模，可使得光柵結(jié)構(gòu)對應(yīng)的模版位置因掩膜材料的保護(hù)而不被刻蝕，而模版其他區(qū)域的材料向下刻蝕，去除掩膜材料后，在模版上得到陣列排布的光柵結(jié)構(gòu)。

38、具體的，步驟(2)在模板上得到光柵結(jié)構(gòu)，光柵結(jié)構(gòu)對應(yīng)最終得到的微流控通道的凸起結(jié)構(gòu)之間的凹槽，光柵結(jié)構(gòu)之間的凹槽對應(yīng)最終得到的微流控通道的凸起結(jié)構(gòu)。

39、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述光柵結(jié)構(gòu)的高度為4.5-10μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的寬度為8-32μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的長度為100-1000μm；相鄰的光柵結(jié)構(gòu)之間的距離為18-42μm。

40、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述光柵結(jié)構(gòu)的高度為5-10μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的寬度為10-30μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的長度為100-1000μm；相鄰的光柵結(jié)構(gòu)之間的距離為20-40μm。

41、優(yōu)選地，步驟(2)中，所述光柵結(jié)構(gòu)的高度為5μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的寬度為20μm；所述光柵結(jié)構(gòu)的長度為500μm；相鄰的光柵結(jié)構(gòu)之間的距離為30μm。

42、具體的，步驟(3)中，因光刻的作用在光柵結(jié)構(gòu)處覆蓋掩膜材料，光柵結(jié)構(gòu)因掩膜材料的保護(hù)而不受后續(xù)刻蝕的影響，且覆蓋所述光柵結(jié)構(gòu)的掩膜材料對應(yīng)的模版位置也不會被刻蝕，而模版其他區(qū)域的材料會向下刻蝕，去除掩膜材料后，在模版上得到輔助凸起，光柵結(jié)構(gòu)位于輔助凸起上方。

43、具體地，步驟(3)所形成的輔助凸起對應(yīng)于最終所制備得到的微流控通道的凹槽結(jié)構(gòu)。

44、優(yōu)選地，光柵結(jié)構(gòu)處覆蓋的掩膜材料呈工型，即步驟(3)所得到的所述輔助凸起呈工型，光柵結(jié)構(gòu)位于呈工型的輔助凸起結(jié)構(gòu)上。

45、優(yōu)選地，步驟(3)中，所述輔助凸起的高度為12-33μm；所述輔助凸起的寬度為200-1500μm。

46、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(3)中，所述輔助凸起的高度為10-30μm；所述輔助凸起的寬度為220-1000μm。

47、進(jìn)一步優(yōu)選地，步驟(3)中，所述輔助凸起的高度為10μm；所述輔助凸起的寬度為500μm。

48、優(yōu)選地，在進(jìn)行步驟(4)之前，采用清洗劑對步驟(3)所得到的模板進(jìn)行清洗，目的是清除模版表面殘留的掩膜材料。

49、優(yōu)選地，所述清洗劑包括濃硫酸和雙氧水。

50、優(yōu)選地，所述濃硫酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為95-98％，所述雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為32-38％。

51、進(jìn)一步優(yōu)選地，所述雙氧水的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為35％。

52、優(yōu)選地，所述濃硫酸和雙氧水的體積比為(6-8)：3；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述濃硫酸和雙氧水的體積比為(6.5-7.5)：3；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述濃硫酸和雙氧水的體積比為7：3。

53、優(yōu)選地，所述清洗劑清洗后還經(jīng)過水沖洗、氮?dú)獯蹈珊透稍锏倪^程。

54、優(yōu)選地，步驟(4)中，所述有機(jī)硅混合物包括有機(jī)硅和固化劑。

55、優(yōu)選地，所述有機(jī)硅和固化劑的質(zhì)量比為(8-12)：1；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述有機(jī)硅和固化劑的質(zhì)量比為(9-11)：1；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述有機(jī)硅和固化劑的質(zhì)量比為10：1。

56、優(yōu)選地，所述有機(jī)硅包括聚二甲基硅氧烷(pdms)。

57、具體的，所述有機(jī)硅混合物采用道康寧sylgard?184。

58、優(yōu)選地，所述固化前，先在真空干燥器中進(jìn)行脫氣。

59、優(yōu)選地，所述固化的溫度為60-80℃，所述固化的時間為1.5-2.5h；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述固化的溫度為65-75℃，所述固化的時間為1.8-2.2h；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述固化的溫度為70℃，所述固化的時間為2h。

60、優(yōu)選地，步驟(4)中，為了保證pdms與步驟(3)所得的模板順利分離，在步驟(3)所得的模板上蒸鍍脫模劑三氯(1h，1h,2h,2h-三十三氟辛基)硅烷(tfocs)，具體為，將脫模劑涂覆于步驟(3)所得的模板上，并置于真空干燥箱中，蒸鍍，取出。

61、優(yōu)選地，所述蒸鍍的時間為25-35min；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述蒸鍍的時間為27-33min；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述蒸鍍的時間為30min。

62、具體的，步驟(4)相當(dāng)于轉(zhuǎn)印的過程，先通過步驟(1)-(3)制備得到與微流控通道結(jié)構(gòu)特征相對應(yīng)的模板，即步驟(3)得到的是微流控通道模板，然后再通過步驟(4)的轉(zhuǎn)印過程(比如微流控通道模板的微孔轉(zhuǎn)印后為微流控通道的微米柱，微流控通道模板的輔助凸起轉(zhuǎn)印后為微流控通道的凹槽結(jié)構(gòu)，微流控通道模板的光柵結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)印后為微流控通道凸起結(jié)構(gòu)之間的凹槽，微流控通道模板的光柵結(jié)構(gòu)之間的凹槽轉(zhuǎn)印后為微流控通道的凸起結(jié)構(gòu))，得到本發(fā)明的微流控通道。

63、優(yōu)選地，步驟(4)轉(zhuǎn)印結(jié)束后，所述微流控通道沿長度方向的兩端各設(shè)置一個孔，分別作為檢測溶液的入口和出口。

64、優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.3-1mm；進(jìn)一步優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.65-0.75mm；更進(jìn)一步優(yōu)選地，所述孔的直徑為0.7mm。

65、優(yōu)選地，所述微流控通道呈陣列分布。

66、本發(fā)明的第三方面提供一種表面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)。

67、具體的，所述表面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)包括本發(fā)明的第一方面所述的表面?zhèn)鞲衅鳌?/p>

68、優(yōu)選地，所述表面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)還包括注射泵、光源發(fā)生器、半透半反鏡、顯微鏡、探測器、數(shù)據(jù)輸出窗口；所述注射泵與所述微流控通道檢測溶液的入口相連。

69、優(yōu)選地，所述探測器包括ccd光電探測器、cmos光電探測器、pin光電探測器中的任意一種。

70、本發(fā)明的第四方面提供一種本發(fā)明第一方面所述的表面?zhèn)鞲衅骰虮景l(fā)明第三方面所述的表面?zhèn)鞲衅飨到y(tǒng)在以非疾病診斷為目的的檢測分析中的應(yīng)用。

71、優(yōu)選地，所述檢測分析包括抗原濃度檢測。

72、相對于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果如下：

73、(1)本發(fā)明的表面?zhèn)鞲衅靼ㄎ⒘骺赝ǖ篮蛡鞲行酒?；所述微流控通道為凹槽結(jié)構(gòu)；所述凹槽結(jié)構(gòu)的底面設(shè)置有微米柱和陣列排布的凸起結(jié)構(gòu)；所述凸起結(jié)構(gòu)的上端面分布有微米柱。相對于平整、無凸起結(jié)構(gòu)的微流控通道，本發(fā)明凸起結(jié)構(gòu)和微米柱的設(shè)置，使得微流控通道內(nèi)的流場發(fā)生改變，相比于無結(jié)構(gòu)的流場，流體的流速增加，加快了微通道內(nèi)物質(zhì)交換速率，降低fp干涉現(xiàn)象對測試光譜的影響，降低甚至消除fp共振的影響，進(jìn)而降低測試誤差，提高檢測靈敏度。采用本發(fā)明的表面?zhèn)鞲衅鲗fp抗原進(jìn)行檢測時，無需二抗引入，在免標(biāo)(沒有標(biāo)記物信號放大技術(shù))情況下可以檢測到1ng/ml甲胎蛋白(afp)響應(yīng)(臨床7ng/ml為臨界值)，在1-10000ng/ml范圍內(nèi)符合s型擬合。

74、(2)本發(fā)明傳感芯片的金屬層具有光滑表面，能夠有效提高金屬層的光滑性，進(jìn)一步降低諧振峰線寬、提高品質(zhì)因子。同時，能夠有效避免金屬層厚度變化和金屬層不對稱而影響生物傳感器的光學(xué)響應(yīng)等問題。本發(fā)明將微流控通道和傳感芯片相結(jié)合，可進(jìn)一步降低測試誤差，提高檢測靈敏度。