专利名称：一种双探测生化传感检测仪的传感芯片及其制备方法
技术领域：
本发明属于生化传感检测领域，涉及一种集成微流控光学的表面增强拉曼光谱---局域表面等离子体共振双探测生化传感检测仪的传感芯片及其制备方法。
背景技术：
大量研究表明金属纳米粒子的光学特性是局域表面等离子体共振LSPR频率与金属纳米颗粒的组成成分、间距、大小、形状和局域介电环境有着密切相关的联系。所以，基于局域表面等离子体传感芯片作为一种有发展潜力的光谱分析技术，在物理、化学、医学、环境监测、公共安全等各个方面都得到广泛应用。金属纳米结构的形貌、尺寸、间距变化对LSPR光学属和表面增强拉曼散射SERS增强效应都有影响。在LSPR传感测试和SERS测试中，每一个贵重金属纳米结构可以与分析物结构进行特异的传感检测或识别，这一特点使 其可以小型化，多参数传感。特别是在探测单分子与金属纳米颗粒表面结合的过程中，LSPR光谱的变化和SERS的“指纹”谱是重要的手段。单分子与金属表面结合时，LSPR光谱变化分析是可操控的；而此时，SERS可探测识别分子并获取金属表面吸附分子的取向。同一纳米等离子体结构的芯片同时采用LSPR和SERS的光学检测手段，并与微流控技术相结合形成了新型的微流控光学传感芯片，这一技术为扩展了标准LSPR或SERS的应用，这种基于“双”等离子体结构的传感芯片在基于液体样品的生化检测中有很大吸引力，将会加快微流控光学传感芯片的研发与应用。然而，金属纳米结构基底的制备是获得SERS增强信号和LSPR传感信号的前提，为了将SERS和LSPR作为一种常规、在线的分析工具，所制备的金属纲米结构应具有增强能力强且均一性好、易于制备和存储、使用方便等特点。同时，将微流体与金属纳米结构传感单元集成于一体，可以实现所需样品少，实时观测，多通道、多参数并行测试、原位SERS和LSPR的测试。当前，金属纳米结构加工方法主要有以下几种电子束光刻(EBL)、聚焦离子束(FIB)、纳米球光刻(NSL)、化学合成、纳米压印、化学自组装、LB膜组装技术、有序模板沉积法等。电子束光刻和聚焦离子束虽然具有高分辨率、重复性高等优点，但其加工成本高、耗时，不容易大面制备。美国西北大学Van Duyne等人利用纳米球光刻制备了不同结构周期的金属纳米结构阵列，并利用此金属纳米结构阵列开展了大量的局域表面等离子体共振LSPR传感和表面增强拉曼光谱SERS探测研究。实验证明纳米球光刻具有低成本、高产出、重复性高等优点，但重复性差。化学自组装法使得纳米粒子在固体基片表面排列，形成SERS活性基底。这类基底上纳米粒子之间的问距比较大，因此基底的SERS效果比较有限，可控性差。纳米压印方法是一种很好的方法，虽有一些报道，但都在加工金属纳米结构，而没有将微流控技术引入。可见，现有技术中的金属纳米结构还不能满足这些需要，急需一种新型的金属纳米结构。
发明内容
为了解决传统单一测试技术LSPR或SERS技术中的不足，利用局域表面等离子体共振LSRP技术、微流控技术和微纳米加工技术，实现高灵敏度、免标记的纳米阵列生化检测仪，本发明提出一种新型的金属纳米结构一双探测生化传感检测仪的传感芯片。本发明的一个目的在于提供一种双探测生化传感检测仪的传感芯片。本发明的传感芯片包括K*L陈列的传感芯片单元，传感芯片单元包括衬底以及与其键合在一起的上片；形成在上片内构成微流通道的进口、出口及微腔；形成在衬底上并处于微腔内的m*n阵列的纳米颗粒；其中，m、n、K和L为自然数。传感芯片单元的尺寸范围在几十微米到几微米之间。纳米颗粒的尺寸范围在几十纳米到几百纳米之间，纳米颗粒之间的间距范围在几十纳米到几百纳米之间。纳米颗粒为金或银等贵重金属颗粒，形状为球形、椭球形、纳米缝以及纳米孔中的
一种。衬底的材料为K9玻璃、石英玻璃、聚二甲硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS等透明材料中的一种。上片的材料为聚二甲硅氧烷PDMS或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA0微腔的体积范围在几微升到几十微升之间，其形状可以是球形或立方形。微流通道的宽度范围在10微米到200微米之间，深度范围在50微米到200微米之间。本发明的另一个目的是提供一种传感芯片单元的制备方法。本发明的一种传感芯片单元的制备方法包括以下步骤I)提供透明的衬底；2)在衬底上形成m*n阵列的纳米颗粒，m和η为自然数；3)用光刻方法加工上片，在其内形成由进口、出口及微腔构成的微流通道；4)将上片和衬底键合在一起，形成传感器芯片单元。K*L陈列的传感芯片单元构成传感芯片。其中，在步骤2)中，通过电子束光刻、纳米压印、化学合成、电子束蒸发、干涉光刻、纳米掩膜等方法形成纳米颗粒。本发明的传感器芯片应用在双探测生化传感检测仪，可实现在同一基底上实现LSPR与SERS分析技术的组合。本发明的双探测生化传感检测仪包括光源系统、光路整形系统、传感芯片、三维控制系统、表面增强拉曼SERS探测系统、局域表面等离子体共振LSPR探测系统；以及自动进样控制系统；其中，传感芯片安装在三维控制系统上；自动进样控制系统向传感芯片注射样品；由光源系统提供激光或白光光源；经光路整形系统垂直入射到传感芯片；经传感芯片反射的激光进入SERS探测系统，并进行相应的SERS数据处理与分析；从传感芯片投射的白光进入LSPR探测系统，并进行相应的LSPR数据处理与分析。本发明的传感器芯片可与自动进样控制系统相连接，通过自动进样控制系统向传感芯片注射样品。自动进样控制系统包括两路以上注射泵，可以程序化设置参数，从而实现对样品进行精确控制。本发明的传感芯片同时采用LSPR和SERS两种光学检测手段，并与微流控技术相结合形成了新型的微流控光学传感芯片，这一技术为扩展了传统LSPR或SERS的应用，这种基于双等离子体结构的传感芯片在基于液体样品的生化检测中有很大吸引力，将会加快微流控光学传感系统的研发与应用。利用LSPR和SERS两种互补模式检测样品，在同一基底上实现LSPR与SERS分析技术的组合。本发明的优点
本发明的传感芯片为多单元、阵列结构，与微流控技术相结合，实现微流控光学传感系统的集成。本传感芯片采用低成本的纳米加工技术，可实现大面积加工；并且可重复性好、制备方法简单，可以实现所需样品少，实时观测，多通道、多参数并行测试、原位SERS和LSPR的测试。
图I为本发明的传感芯片的结构示意图；图2 (a)至(e)为根据本发明的制备方法制备衬底的一个实施例的流程图；图3 (a)至(e)为根据本发明的制备方法制备上片的一个实施例的流程图；
图4为本发明的传感芯片应用在双探测生化传感检测仪的结构示意图；图5为本发明的实施例中采用纳米压印加工出的纳米颗粒的结构图；图6为本发明的实施例中采用的SU-8胶结构的微流通道的模具的结构图。
具体实施例方式下面结合附图，对本发明的具体实施方式
作进一步的详细描述。如图I所示,本发明的传感芯片包括K*L陈列的传感芯片单元,传感芯片单元包括衬底31以及与其键合在一起的上片32 ;形成在上片32内构成微流通道的进口、出口 33及微腔34 ;形成在衬底上并处于微腔内的m*n阵列的纳米颗粒35 ;其中，m、η、K和L为自然数。如图4所示，本发明的双探测生化传感检测仪包括光源系统I、光路整形系统2、传感芯片3、三维控制系统4、表面增强拉曼SERS探测系统5、局域表面等离子体共振LSPR探测系统6 ;以及自动进样控制系统7 ;其中，传感芯片3安装在三维控制系统4上；自动进样控制系统7向传感芯片3注射样品；由光源系统I提供激光或白光光源；经光路整形系统2垂直入射到传感芯片3 ;经传感芯片3反射的激光进入SERS探测系统5，并进行相应的SERS数据处理与分析；从传感芯片3透射的白光进入LSPR探测系统6，并进行相应的LSPR数据处理与分析。传感芯片的传感芯片单元的制备方法的流程图分别如图2和图3所示，传感芯片单元包括微流通道、纳米颗粒35、衬底31以及与其键合在一起的上片32。利用微纳米加工技术在不同衬底上加工纳米颗粒，再利用软光刻技术在上片内加工出微流通道，最后将衬底与上片集成于一体，形成传感芯片单元。下面通过一个实施例，具体说明本发明的实施。采用纳米压印的方法制备传感芯片单元的方法包括以下步骤I)提供石英片作为透明的衬31底；2)在衬底上形成m*n阵列的纳米颗粒35 a)将石英片31处理干净后，旋涂纳米压印胶02，在热板上120摄氏度下烘60秒，如图2 (a)所示；b)聚二甲硅氧烷PDMS纳米压印模版03压印，并曝光、固化，如图2 (b)所示；c)剥离压印模版03，去底模，如图2 (C)所示；d)溅射贵重金属，如图2 (d)所示；
e)去胶,形成m*n阵列的纳米颗粒35,如图2 (e)所示，m和η为自然数；3)用光刻方法加工上片，在其内形成由进口、出口及微腔构成的微流通道a)在硅05的上表面旋涂80微米厚的SU_8胶06，经过前在硅片正面甩上SU_8胶、平坦化、前烘，如图3 (a)所示；b)光刻、后烘、显影、坚膜，形成SU-8胶结构的微流通道的模具，如图3 (b)所示；c)在SU-8胶结构的微流通道的模具表面涂上脱模剂；将PDMS与其固化剂按10 I的比例混合，并充分搅拌，用真空泵去除PDMS中的气泡，将无气泡的PDMS 07均浇在SU-8胶结构的微流通道的模具上，并静置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分钟到I小时，如图3 (c)所示； d)将固化的PDMS剥离硅结构模具，并切成与传感芯片的衬底的大小相同，并在相应的微流通道的微腔34上打孔形成进口和出口 33，如图3 Cd)所示；4)将上片和衬底键合在一起，形成传感器芯片单元，如图3 (e)所示。图5为本实施例中采用纳米压印加工出的纳米颗粒的结构图；图6为本实施例中采用的SU-8胶结构的微流通道的模具的结构图。最后需要注意的是，公布实施方式的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。
权利要求
1.一种传感芯片，其特征在于，所述传感芯片包括K*L陈列的传感芯片单兀，传感芯片单元包括衬底(31)以及与其键合在一起的上片(32);形成在上片(32)内构成微流通道的进口、出口(33)及微腔(34);形成在衬底上并处于微腔内的m*n阵列的纳米颗粒(35);其中，m、n、K和L为自然数。
2.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述传感芯片单元的尺寸范围在几十微米到几微米之间。
3.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述纳米颗粒的尺寸范围在几十纳米至IJ几百纳米之间，纳米颗粒之间的间距范围在几十纳米到几百纳米之间。
4.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述纳米颗粒为金或银等贵重金属颗粒，形状为球形、椭球形、纳米狭缝以及纳米孔中的一种。
5.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述衬底的材料为K9玻璃、石英玻璃、聚二甲硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS等透明材料中的一种。
6.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述上片的材料为聚二甲硅氧烷PDMS或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
7.如权利要求I所述的传感芯片，其特征在于，所述微腔的体积范围在几微升到几十微升之间，其形状可以是球形或立方形。
8.如权利要求7所述的传感芯片，其特征在于，在所述微流通道的宽度范围在10微米到200微米之间，深度范围在50微米到200微米之间。
9.一种传感芯片单元的制备方法，其特征在于，所述传感芯片单元的制备方法包括以下步骤 1)提供透明的衬底； 2)在衬底上形成m*n阵列的纳米颗粒，m和n为自然数； 3 )用光刻方法加工上片，在其内形成由进口、出口及微腔构成的微流通道； 4)将上片和衬底键合在一起，形成传感器芯片单元。
10.如权利要求9所述的制备方法，其特征在于，在步骤2)中，通过电子束光刻、纳米压印、化学合成、电子束蒸发、干涉光刻、纳米掩膜等方法形成纳米颗粒。
全文摘要
本发明公开了一种双探测生化传感检测仪的传感芯片及其制备方法。本发明的包括K*L陈列的传感芯片单元，传感芯片单元包括衬底以及与其键合在一起的上片；形成在上片内构成微流通道的进口、出口及微腔；形成在衬底上并处于微腔内的m*n阵列的纳米颗粒；其中，m、n、K和L为自然数。本发明的传感芯片为多单元、阵列结构，与微流控技术相结合，实现微流控光学传感系统的集成。本传感芯片采用低成本的纳米加工技术，可实现大面积加工；并且可重复性好、制备方法简单，可以实现所需样品少，实时观测，多通道、多参数并行测试、原位SERS和LSPR的测试。
文档编号B81C1/00GK102706835SQ20121015219
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月14日 优先权日2012年5月14日
发明者耿照新 申请人:中央民族大学