一种光学生物传感器制备方法与流程

本发明涉及生化检测领域，具体涉及一种基于lspr效应的光学生物传感器及其制备方法。

背景技术：

基于lspr效应的生物传感器，其检测原理主要是基于纳米颗粒的局域表面等离子共振效应(localizedsurfaceplasmonresonance，简称lspr效应)。lspr效应是指当光线入射到由贵金属构成的纳米颗粒上时，如果入射光子频率与贵金属纳米颗粒传导电子的整体振动频率相匹配时，纳米颗粒会对光子能量产生很强的吸收作用，如果入射光是复色光，就会出现lspr吸收峰，即发生lspr效应。

具体的，该类生物传感器是将金属纳米颗粒固定在基板上，然后再修饰生物分子，根据检测修饰前后金属纳米的lspr效应的光学信号变化来判断生物分子的结合，以达到检测目的，此类生物传感器可以做到检测时无需标记，并且是无污染、实时、快速、高灵敏度的检测，可以应用于不同领域的检测。而目前，对生物传感器及其制备方法还未有成熟的设备和工艺，因此有必要对生物传感器及其制备方法进行开发研究，而其中纳米颗粒的制备是关键步骤。

金属纳米颗粒的合成通常利用液相化学反应方法，根据目标金属的特定电极电势，选用相应的金属盐或金属有机化合物作为前驱体，在水或者有机溶剂中，利用还原剂、电化学、光化学或者生物化学的方法还原金属盐离子，或者借助超声、热分解金属化合物为金属单质，并根据需要选取相应表面活性剂、功能键以及聚合物作为保护剂，控制晶体的成核、生长速度及方向，制备既定大小和形貌的金属纳米颗粒。就目前纳米材料的液相化学反应法制备而言，还不同程度地存在着颗粒团聚、粒径不均匀、纯度低、性能不稳定、合成路径较长、影响因素多、产率低下等问题。

化学合成的金属纳米颗粒溶液可以通过牛血清蛋白等修饰物对玻璃基板的亲和力固定在玻璃上，然而，单靠亲和力固定，存在稳定性差的问题，不利于长期保存。

现在也有研究用物理方法在玻璃上固定金属纳米颗粒，如在玻璃基板上镀膜后，然后对玻璃基板高温煅烧，电子束轰击，微波等离子体热处理等，但由于高温煅烧升降温过程较长，金颗粒易团聚，效率也低；电子束轰击，电子束作用面积有限，效率也不理想；微波等离子体热处理在规模化处理时，微波等离子体热处理的均匀性控制存在较大的技术难题，控制成本高。

技术实现要素：

本申请是基于发明人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

对于生物传感器，其主要作用部件为金属纳米粒子，金属纳米粒子的质量影响着生物传感器的测试效果。目前的一些生物传感器，要么是金属纳米粒子与基板结合力不够，影响检测灵敏度，要么是测试过程中需要参比试样，检测操作繁琐。同时，对于生物传感器的制备，前期制备出稳定的、均匀的、能与基板紧密结合的金属纳米粒子是关键步骤。目前制备生物传感器的方法中，对于制备金属纳米粒子的方法，要么是得到的纳米粒子稳定性不足，要么是纳米粒子与基板的结合度不够，要么是对制备设备要求较高，要么是生产效率过低，或者是具备多种不足之处。

另外，由于金属纳米粒子表面积大，在空气中易吸附空气中的微粒、水份等小分子，不利于存放，也会影响到在制备生物传感器的后续步骤中与生物分子和/或有机粘结剂的结合。

为解决上述问题，本发明提出了一种光学生物传感器的制备方法，包括：

a)镀膜：提供一基板，在所述基板上沉积金属薄膜层；

b)热处理：将所述基板进行热处理，使金属薄膜熔融为金属纳米粒子；

c)表面处理：将所述金属纳米粒子进行表面处理，成为纳米粒子单元；

d)修饰：在所述基板表面修饰检测粒子成为检测单元。

根据本发明的一些实施方式，在步骤a)中，所述沉积金属薄膜层的方法是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或其组合。

根据本发明的一些实施方式，在步骤a)中，所述沉积金属薄膜层是采用真空热蒸发法。根据本发明的一些实施方式，所述真空热蒸发法的蒸发速率为0.05nm～0.5nm每秒。

根据本发明的一些实施方式，在步骤a)中，所述沉积金属薄膜层是沉积至少一层以上的金属薄膜。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤a)中，所述沉积金属薄膜层为先沉积一层铬，再沉积一层金、银或金银合金。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤b)中，所述热处理是将基板置于网带炉中，在惰性保护气体下保温热处理。

根据本发明的一些实施方式，所述热处理惰性保护气体为氮气、氩气、二氧化碳或其组合，所述热处理温度为200℃～900℃，所述热处理时间是0.1min～30min。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤b)中，在所述热处理前，还包括以下步骤：在热处理前，使用机械手将所述基板置于网带炉中，在热处理结束后，再使用机械手将所述基板从网带炉中取下。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤c)中，所述表面处理是将基板置于等离子设备中，通入惰性保护气体，加气压，加射频电压，进行表面处理。

根据本发明的一些实施方式，表面处理惰性保护气体为氮气、氩气或其组合，所述气压为50pa～150pa；所述射频电压为5w～15w；所述表面处理时间为2min～10min。

根据本发明的一些实施方式，在所述步骤d)中，所述修饰是将所述基板浸泡于含有所述检测粒子的溶液中，使所述检测粒子修饰于所述基板表面。

采用本发明的制备方法的纳米粒子经过表面处理，不仅能清除纳米粒子的表面杂质，而且提高后续修饰检测单元的结合力。

采用本发明的制备方法设备简单，容易操作，且制造效率高，利于工业化生产。

采用本发明的制备方法所得的生物传感器结构稳定，纳米粒子与基板结合牢固，不易脱落。

附图说明

图1显示了根据本发明实施例的生物传感器结构示意图。

图2显示了根据本发明实施例的生物传感器的制备方法流程图。

图3显示了根据本发明实施例1的生物传感器制备过程中光谱变化图。

图4显示了根据本发明实施例2的生物传感器制备过程中光谱变化图。

图5显示了根据本发明实施例3的生物传感器制备过程中光谱变化图。

附图标记：基板单元100、纳米粒子单元200、检测单元300、待测物400。

术语定义

修饰：本文中所述修饰为物理反应和/或化学反应，即通过修饰结合的部件是以化学键连接和/或物理键连接。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的一个方面，本发明提出了一种光学生物传感器。根据本发明的实施例，该生物传感器包括基板单元100、纳米粒子单元200和检测单元300。

基板单元100包括基板，是为了后续制备纳米粒子提供支撑作用。本生物传感器的检测手段是基于光学测试，因此要求基板必须要有透光性能，以便于检测吸收光谱的变化。根据本发明的实施例，要求基板透光率大于75％。

所述基板材质为玻璃、石英、透明陶瓷、聚合物或云母片。人们根据需要，选择不同材料制作基板，只要透光率满足大于75％即可。例如，在一些实施例中，基板材质为玻璃，取材方便，价格低廉。在一些实施例中，基板材质为石英玻璃，透光率高，硬度高。在一些实施例中，基板材质为透明陶瓷，性质稳定，不易变形。

纳米粒子单元200形成于所述基板表面，其中，是先在所述基板表面沉积至少一层金属薄膜，再将其置于网带炉中，在气体保护下热处理，以使所述金属薄膜熔融而形成所述结合在该基板表面的金属纳米粒子，再经过表面处理成为所述纳米粒子单元200。

在基板上形成纳米粒子后，由于纳米粒子的lspr效应，当有光透过基板时，在特定的位置会有消光强度的变化，而此变化也会受到纳米粒子的材质、大小、形状、粒子间距以及周围环境的介电常数等因素影响。因此，纳米粒子与基板相结合的稳定性、纳米粒子的均匀性以及制备方法的重现性，将影响到生物传感器的检测稳定性和检测灵敏度。本发明所得到的金属纳米粒子具有很好的稳定性和均匀性，因热处理时，基板表面、金属薄膜会受热而变为熔融状态，此时金属粒子会扩散渗入到基板表面，同时，金属薄膜也会因熔融缩收和表面张力的作用而形成球形的纳米粒子，由此，形成了与基板表面紧密结合且均匀分布的金属纳米粒子。

根据本发明的一些实施方式，所述金属薄膜为金、银、铬或其组合。以得到更稳定的金属纳米粒子。

根据本发明的一些实施方式，不同层的金属薄膜是一样的材料。根据本发明的一些实施方式，不同层的金属薄膜为不一样的材料。

根据本发明的一些实施方式，所述金属薄膜为至少一层，与基板接触的底层为铬，上层沉积金、银或其组合。经过热处理后，在基板表面的金属薄膜成变化为相间隔的球形的金属纳米粒子。底层为铬金属薄膜，使形成的金属纳米粒子与基板之间具有更好的结合力。是由于铬更容易达到熔融状态，使部分铬离子渗透入基板中，形成更牢固的结合。

根据本发明的一些实施方式，所述金属薄膜厚度为1nm-20nm。薄膜的厚度决定着后续得到的纳米粒子的粒径，发明人通过大量的实验得知，薄膜厚度与金属纳米粒子的粒径成正比关系，但当薄膜厚度过薄或过厚都不利于在热处理时缩收得到纳米粒子。

根据本发明的一些实施方式，所述金属薄膜厚度为1nm-5nm。由此，可确保得到的金属纳米粒子在预设范围内。由此，使得到的金属纳米粒子粒径有和待测物400的粒子大小相适宜，以便得到更准确的检测结果。

检测单元300修饰在所述基板表面，根据本发明的一些实施方式，所述检测单元300位于所述金属纳米粒子的间隔之间。根据本发明的一些实施方式，所述检测单元300连接在所述金属纳米粒子的表面。由此，使生物传感器在检测特定的待测物400时，得到更准确的检测结果。

所述检测单元300包括多数个检测粒子，在检测时用以捕获待测物400。所述检测单元300的检测粒子与待测物400形成专一性结合。换句话说，即特定的检测粒子和特定的待测物400相结合，根据需要待测物400的不同选择合适的检测粒子，使检测单元300能达到定性检测的效果。

具体的，在形成了纳米粒子的基板上修饰上检测单元300，即可称之为生物传感器。由于纳米粒子的lspr效应，在纳米粒子单元200的间隔间修饰上检测单元300后，同样的在特定的位置会有消光强度的变化，在进一步捕获待测物400后，生物传感器的消光波长和消光强度会发生变化，人们即可根据捕获待测物400之后与捕获待测物400之前的消光波长和消光强度的变化来判断是否含有待测物400。

本发明第二方面提出了一种光学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

s100：镀膜：提供一基板，在所述基板上沉积金属薄膜层；

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述在沉积的方法是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或其组合。根据本发明的一些实施方式，所述沉积金属薄膜层的沉积方法是真空热蒸发。

根据本发明的一些实施方式，所述真空热蒸发镀膜是将基板置于镀膜设备中，将真空腔抽至低于10^-3pa本底真空，控制金属的蒸发速率为0.05nm～0.5nm每秒。在一些具体实施方式中，通过降低热蒸发设备的电流和/或功率的方式来降低蒸发速率，以控制得到薄膜的厚度。在一些具体实施方式中，配合调节样品台的旋转，以保证得到薄膜的均匀性。根据本发明的一些实施方式，本方法得到的薄膜厚度为1nm～5nm的超薄薄膜。发明人发现，一般的沉积方法在制备较薄的金属薄膜时比较困难，如使用溅射法制备薄膜时，生长金属薄膜速度快，对于1nm～5nm级别的超薄薄膜的制备，膜厚不易控制，良品率低，本方法得到的薄膜膜厚控制稳定、薄膜均匀性、重现性较好。

在该步骤中，沉积金属薄膜层是沉积至少一层以上的金属薄膜。根据本发明的一些实施方式，不同层的金属薄膜是一样的材料。根据本发明的一些实施方式，不同层的金属薄膜为不一样的材料。由此，得到不同材质和/或不同性能的纳米粒子，以使生物传感器的检测应用领域更灵活。

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述沉积金属薄膜层为先沉积一层铬，再沉积一层金、银或金银合金。经过热处理后，在基板表面的金属薄膜成变化为相间隔的球形的金属纳米粒子。底层为铬金属薄膜，使形成的金属纳米粒子与基板之间具有更好的结合力。是由于铬更容易达到熔融状态，使部分铬离子渗透入基板中，形成更牢固的结合。

s200：热处理：将所述基板置于热处理设备中，进行高温处理，形成金属纳米粒子；

所述热处理，是指热处理设备提供热量，使金属薄膜层在高温下熔融，并形成间隔距离相等且具有预定粒径的金属纳米粒子，进而使基板部分表面露出。所述金属纳米粒子的粒径会随着金属薄膜层的厚度的增加而增加，即通过控制制备的金属薄膜层的厚度来调节金属纳米粒子的粒径，得到预定粒径的金属纳米粒子，以便得到更高的检测灵敏度。经过热处理，不仅能使金属薄膜层变化为金属纳米粒子，还可使金属纳米粒子部分嵌入基板，固定纳米粒子，提高金属纳米粒子应用的稳定性。此外，也要根据金属薄膜层厚度的不同调节热处理时间的长度，当金属薄膜层越厚或面积越大，需要增加热处理时间以提供足够的热量使金属薄膜层达到熔融状态。

根据本发明的一些实施方式，所述热处理是将基板置于热处理设备中，在保护气体下保温热处理。

根据本发明的一些实施方式，所述热处理设备是网带炉。所述网带炉包括网带和加热区，只要将基板置于循环滚动的网带上，基板即可随着网带自动进入到加热区进行热处理。

根据本发明的一些实施方式，所述网带炉加热区有一热源提供热处理所需热量，在一些实施方式中，热源为红外加热方式，以提供更稳定热量。经过热处理的基板表面的金属薄膜变化为预定粒径的金属纳米粒子。根据需要调节网带的速率，使基板在加热区停留的时间足够，以确保达到热处理效果。使用网带炉进行热处理，实现基板的批量化连续生产，且操作简单，生产成本低，有利于实现工业化生产。

与现有的生物传感器的制备方法相比，本发明使用了网带炉设备，在能得到性能优良的纳米粒子的同时实现连续不断的生产，简化了生产工艺，大大的提高了生产效率。如使用常规的加热设备进行热处理，一般需要经过升温程序、保温程序、降温程序来完成整个热处理过程。而本发明使用了网带炉设备，滚动的网带持续不断的将基板输送到加热区，减少了升温程序和降温程序，有效提高生产效率。

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，还包括以下步骤：使用机械手将所述基板置于网带炉中，在热处理结束后，再使用机械手将所述基板从网带炉中取下。采用机械手放样和取样，流程可实现自动化，较少人工成本的投入，也进一步提高生产效率。

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述保护气体为氮气、氩气、二氧化碳的至少其中之一。在一些实施例中，气体保护所使用的气体为氮气，以便达到更好的热处理效果。

s300：表面处理：将所述基板置于表面处理设备中，进行表面处理，成为纳米粒子单元200；

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述表面处理是等离子刻蚀。所述等离子刻蚀是将基板置于等离子设备中，通入保护气体，加气压，加射频电压，进行表面处理。

根据本发明的一些实施方式，所述保护气体为氮气、氩气或其组合；所述气压为50pa～150pa；所述射频电压为5w～15w；所述表面处理时间为2min～10min。

发明人经过研究发现，纳米金属粒子由于其比表面积较大，极易于吸附空气中的水汽、灰尘等杂质微粒，从而影响纳米粒子在后续修饰过程中与检测单元300的结合力，经过等离子刻蚀表面处理后的纳米粒子能克服此缺陷，并能使纳米粒子与检测单元有更好的结合力，由此，制备出性能更优良的生物传感器。

另外，由于纳米粒子本身的性质，其表面容易吸附杂质微粒和/或在空气中容易被氧化，这就要求在制备纳米粒子后要及时的进行后续的修饰过程或者将金属纳米粒子放在严格的条件下保存，以防止金属纳米粒子被污染而影响生物传感器的检测效果。发明人经过深入研究发现，经过等离子表面刻蚀处理后的金属纳米粒子有效的去除其表面的杂质微粒层和/或氧化层，由此，恢复或增加金属纳米粒子在后续修饰步骤中与检测单元300的结合力，从而降低对金属纳米粒子的保持条件的要求，只需要在修饰检测单元300前进行等离子刻蚀表面处理即可。

s400：修饰：在所述基板表面修饰检测粒子成为检测单元300。

根据本发明的一些实施方式，所述修饰是将基板浸泡于含有检测粒子的溶液中，使检测粒子连接于基板上以形成检测单元300，进而制备成为光学生物传感器成品。具体的，是将所述热处理后的基板浸泡于含有所述检测粒子的溶液中，使所述检测粒子结合于所述基板表面。根据本发明的一些实施方式，通过控制修饰温度，控制修饰时间，由此，使得有足量的检测粒子连接与基板上，以确保生物传感器的检测效果。

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，还先在基板表面修饰偶联剂，以使检测粒子能更好的修饰于所述基板表面。

根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述检测粒子的修饰，是根据待测物400的类型，选择能与待测物400形成专一性结合的物质作为检测粒子。根据本发明的一些实施方式，在该步骤中，所述检测粒子是指能与待测物400特异性结合的物质，如多肽、蛋白质、寡聚糖、脂类等。

例如，当待测物400为卵白素时，可利用卵白素与生物素结合的专一性，采用生物素作为检测粒子，由于生物素无法直接与基板形成稳定结合，因此，可先利用较容易与基板结合又能与生物素形成结合键的胺丙烷基三甲氧基硅烷(aptms)在该基板表面形成aptms分子膜，再加入生物素，就能使生物素透过aptms间接被修饰在基板表面的状态，使aptms与生物素的结合体成为检测粒子，通过生物素与卵白素的专一性结合来测试是否由卵白素存在，因此，可利用该光学生物传感器来筛选卵白素。

综上所述，本发明提供了一种生物传感器及其制备方法，生物传感器包括基板单元100、纳米粒子单元200以及检测单元300，纳米粒子单元200是对沉积有金属薄膜层的基板进行热处理之后再经过表面处理后而形成，检测单元300是通过浸泡于含有检测粒子的溶液中而得到。总体来说，本发明提供生物传感器制备方法具备以下优点：

1、本生物传感器能简单、快速的定性检测待测物，通过吸附待测物前后的吸收峰强度的变化即可判断是否含有待测物，且检测灵敏度高，检测结果可靠有效。

2、本生物传感器应用范围广，检测单元可根据待测物的不同而选择不同的可与待测物形成专一性结合的检测粒子。

3、本发明的制备方法的纳米粒子经过表面处理，不仅能清除纳米粒子的表面杂质，而且提高后续修饰检测单元的结合力。

4、本发明的制备方法设备简单，容易操作，且制造效率高，利于工业化生产。

5、本发明的制备方法所得的生物传感器结构稳定，纳米粒子与基板结合牢固，不易脱落。

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面进一步披露一些非限制实施例，对本发明作进一步的详细说明。

本发明所使用的试剂均可以从市场上购得或者可以通过本发明所描述的方法制备而得。

缩写说明：本发明中，nm表示纳米，mm表示微米，min表示分钟，h表示小时，pa表示帕，sccm表示流量单位每分钟标准毫升，w表示功率瓦特，od表示吸光度值，aptms表示3-氨丙基三甲氧基硅氧烷。

本发明中，镀膜设备为angstrom热蒸发镀膜仪，热处理设备为合肥恒力hsh2503-0510z型红外快烧网带炉，等离子刻蚀设备为沈阳科仪pecvd-400a，吸光度检测设备为cary5000紫外-可见-近红外分光光度计。

镀膜-热处理-表面处理：

实施例1

将玻璃基板使用等离子清洗5min后，置于热蒸发法设备蒸镀金膜，先将热蒸发法设备本底真空抽至优于10^-5pa，使用膜厚监控仪将沉积速度控制在0.1nm每秒，控制金膜均匀生长到2.5nm，使用紫外分光光度计测试镀膜后基板的吸光度曲线；

将镀膜后的玻璃基板，置于网带炉中热处理，网带炉低温区有三个温区，温度分别设置为400℃、600℃、700℃；高温区有两个温区，温度分别设置为700℃、800℃；通入氮气保护；设置网带运动速度为500mm/min，将玻璃基板从网带炉中经过，使纳米金膜变为均匀分布在玻璃基板上的纳米金粒子，使用紫外分光光度计测试热处理后基板的吸光度曲线；

将热处理后的玻璃基板，置于等离子刻蚀设备中表面处理，先将等离子刻蚀设备真空度抽至优于10^-2pa，再通入氮气，流量为30sccm，当腔室稳定在100pa后，将射频功率设置为10w，待起辉后处理4min，使用紫外分光光度计测试表面处理后基板的吸光度曲线，吸光度曲线如图3所示。

实施例2

将玻璃基板使用等离子清洗5min后，置于热蒸发法设备蒸镀金膜，先将热蒸发法设备本底真空抽至优于10^-5pa，使用膜厚监控仪将沉积速度控制在0.05nm每秒，控制金膜均匀生长到1.0nm，使用紫外分光光度计测试镀膜后基板的吸光度曲线；

将镀膜后的玻璃基板，置于网带炉中热处理，网带炉低温区有三个温区，温度分别设置为300℃、500℃、700℃；高温区有两个温区，温度分别设置为700℃、800℃；通入氮气保护；设置网带运动速度为1000mm/min，将玻璃基板从网带炉中经过，使纳米金膜变为均匀分布在玻璃基板上的纳米金粒子，使用紫外分光光度计测试热处理后基板的吸光度曲线；

将热处理后的玻璃基板，置于等离子刻蚀设备中表面处理，先将等离子刻蚀设备真空度抽至优于10^-2pa，再通入氮气，流量为30sccm，当腔室稳定在50pa后，将射频功率设置为5w，待起辉后处理2min，使用紫外分光光度计测试表面处理后基板的吸光度曲线，吸光度曲线如图4所示。

实施例3

将玻璃基板使用等离子清洗5min后，置于热蒸发法设备蒸镀金膜，先将热蒸发法设备本底真空抽至优于10^-5pa，使用膜厚监控仪将沉积速度控制在0.5nm每秒，控制金膜均匀生长到4nm，使用紫外分光光度计测试镀膜后基板的吸光度曲线；

将镀膜后的玻璃基板，置于网带炉中热处理，网带炉低温区有三个温区，温度分别设置为500℃、650℃、700℃；高温区有两个温区，温度分别设置为750℃、850℃；通入氮气保护；设置网带运动速度为400mm/min，将玻璃基板从网带炉中经过，使纳米金膜变为均匀分布在玻璃基板上的纳米金粒子，使用紫外分光光度计测试热处理后基板的吸光度曲线；

将热处理后的玻璃基板，置于等离子刻蚀设备中表面处理，先将等离子刻蚀设备真空度抽至优于10^-2pa，再通入氮气，流量为30sccm，当腔室稳定在150pa后，将射频功率设置为15w，待起辉后处理10min，使用紫外分光光度计测试表面处理后基板的吸光度曲线，吸光度曲线如图5所示。

本发明的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在本发明内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本发明内。