一种spr传感芯片及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于光学生物传感领域，具体涉及一种SPR传感芯片及其制备方法。
【背景技术】
[0002]表面等离子共振(SPR)是一种物理光学现象。在两种不同折射率(refractiveindex)的透明介质交界面上(如玻璃和水)，当一束光线从高折射率介质入射到低折射率介质，光线将发生折射和反射。当入射角增大到某一特定值时，折射角等于90°，此时光沿着与界面相切的方向射出，此时的入射角称为临界角。如果入射角超过临界角，则入射光线将不会进入另一介质，而全部被反射回入射介质中，发生全内反射。
[0003]实际上，尽管全部入射光被反射，一种叫渐逝波(evanescent wave)的电磁场会穿过界面渗透到低折射率介质中，能量呈指数衰减。若在界面处镀上一层金属薄膜(一般镀金膜或银膜)，则金属薄膜表面的自由电子受入射光激发而产生电荷振荡，进而形成表面等离子体(SP)。调整光的入射角或波长到某一适当值时，SP与渐逝波的频率和波数相等，二者便发生能量耦合，形成表面等离子共振。共振时界面处的全反射条件将被破坏，入射光能量被转移到表面等离子体波(Surface plasmon Wave，SPW)中，从而导致反射光强度在传播中急剧下降，呈现衰减全反射(attenuated total reflect1n，ATR)现象。其中使反射光完全消失的入射光角度称为共振角(SPR angle)。共振角会随着金属薄膜表面的介质折射率的改变而改变，而折射率的变化与结合在金属表面的分子的质量成正比。因此通过分析共振角，就可以得到分子间相互作用的信息。
[0004]SPR传感技术具有无需标记、对表面特性和物质变化敏感，实时、快速和易于实现自动化等特点。该技术已被广泛应用于生命科学，临床诊断，药物筛选，食品安全，环境监测等领域，检测对象包括蛋白、核酸、激素、毒素、农药、细胞、微生物等。
[0005]随着社会上对于大规模快速检测技术的需求的增长，高通量的SPR传感技术已成为SPR技术的一个主要发展方向。其中SPR成像传感技术(也可称为SPRi)是研宄最广、最具有代表性的一类。其基本工作过程为:光源发出的平行光入射到具有传感点阵列的SPR芯片表面，传感点阵列通过光学系统成像于图像传感器靶面，同时芯片表面反射的光也被图像传感器接收。
[0006]SPR传感芯片是SPR成像传感器的核心组件，其主要包括平面玻璃基板、金属膜和表面基质三部分。SPR传感芯片提供了产生SPR信号的必需物理条件，并且分子相互作用的研宄也是在SPR传感芯片表面进行的。
[0007]根据检测的光信号不同，SPR成像传感器通常可分为光强调制型和相位调制型。相比于相位调制所需要的复杂系统，光强调制型SPR成像传感器结构简单，使用方便，动态范围大，得到了比较广泛的应用；但目前存在的问题是其分辨率在10_5?10_6RIU之间，灵敏度普遍低于通道型SPR传感器以及相位调制型SPR成像传感器。主要原因是其SPR传感芯片普遍采用平板金属膜，即在平面玻璃基板上直接镀上一层金属膜，其传感灵敏度较低。如何提高光强调制型SPR成像传感器的灵敏度成为了当前的研宄热点。
【发明内容】
[0008]本发明提供了一种SPR传感芯片，该SPR传感芯片性能稳定、重复性好、灵敏度高，易于实现高通量检测。
[0009]一种SPR传感芯片，包括平面玻璃基板，所述平面玻璃基板上覆盖有厚度大于150nm的第一金属膜，所述第一金属膜的顶面设有微孔阵列，每一微孔的底部均覆盖有第二金属膜，所述第二金属膜的顶面设有周期排列的若干纳米金属线。
[0010]如未作特殊说明，本发明中“周期排列”均是指相邻的纳米金属线以一定的间隔平行排列；每根纳米金属线的两端均抵接微孔的内壁。
[0011]本发明利用第一金属膜在SPR传感芯片上形成微孔阵列，当入射光从平面玻璃基板的底部照射到平面玻璃基板与金属膜(包括第一金属膜和第二金属膜)的界面时，在金属膜上产生SPR现象。其中在第二金属膜上产生的SPR，一方面耦合到周期排列的纳米金属线中产生局域表面等离子体共振(LSPR)，LSPR具有较强的局域电磁场增强效应，能够有效提高SPR传感的灵敏度；另一方面在微孔底部产生表面等离子体波(SPW)，SPW在水平传播过程中会受到微孔内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强，电磁场增强可进一步提高SPR传感的灵敏度。
[0012]其中，LSPR主要集中在纳米金属线表面两个尖锐的边缘，从而在每一纳米金属线的两侧均引起局域电磁场增强；而驻波引起的局域电磁场增强主要集中在微孔的边缘，从而整个微孔内的电磁场均得到增强。
[0013]同时，由于第一金属膜的厚度大于150nm，因此在第一金属膜上因SPR产生的电磁场无法穿透第一金属膜，同时微孔内的SPW又被第一金属膜包围而成的微孔所束缚，从而无法到达相邻的微孔，避免了信号的交叉干扰，有利于降低噪声，提高了 SPR传感的信噪比，便于实现高通量的SPR传感。
[0014]作为优选，每个微孔的规格为:100?500 ym(长)*100?500 μπι(宽)*150?300nm(高，即第一金属膜的厚度)。
[0015]作为优选，所述第二金属膜的厚度为30?50nm。以便能在第二金属膜的表面产生SPR现象。
[0016]作为优选，每个微孔内至少设有30根纳米金属线。纳米金属线的根数越多，则周期排列的纳米金属线能更有效地产生局域表面等离子体共振(LSPR)。
[0017]作为优选，两纳米金属线之间间隔的宽度与纳米金属线的线宽比为1:0.5?2 ;更优选为1:1。间隔宽度与线宽的适宜比例有利于产生较强的LSPR，申请人经过试验发现，与其他比例相比，当纳米金属线与纳米金属线之间间隔的宽度比为1:1时，周期排列的纳米金属线产生的LSPR最强。
[0018]作为进一步优选，间隔宽度与纳米金属线的线宽均为100nm(则周期为200nm)，所述纳米金属线的厚度为10?20nm。
[0019]作为优选，所述第一金属膜的厚度为150?300nm。既能保证SPR无法穿透第一金属膜，也避免第一金属膜过厚造成资源浪费。为保证良好的透光性，作为优选，所述平面玻璃基板的厚度不超过0.5mm。
[0020]本发明还提供了所述SPR传感芯片的制备方法，依次包括以下步骤:
[0021](I)在洗净的平面玻璃基板上依次镀上铬层和第一金属膜；
[0022](2)在第一金属膜的顶面预留用于开设微孔的位置，其余部位覆盖保护膜；
[0023](3)在第一金属膜的预留位置处开设微孔，然后除去保护膜；
[0024](4)在微孔底部镀第二金属膜，并在第二金属膜的顶面依次刻蚀或沉积出每根纳米金属线。
[0025]在第二金属膜的表面修饰不同的生物敏感膜，使SPR传感芯片的每个微孔均具有检测特异性，从而可以同时检测多种样品，实现高通量高灵敏的生物传感。
[0026]本发明还提供了一种SPR传感器，包括棱镜，以及与棱镜相親合的SPR传感芯片，所述SPR传感芯片即为本发明所述SPR传感芯片，所述棱镜与SPR传感芯片中平面玻璃基板的材质相同。
[0027]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0028]本发明的SPR传感芯片上设有微孔阵列，在每一微孔的底部覆盖第二金属膜，在第二金属膜上设置周期排列的纳米金属线，一方面对SPR传感芯片的灵敏度具有双重增强效果，该双重增强效果体现在:第二金属膜上产生的SPR—方面耦合到周期排列的纳米金属线中产生LSPR，LSPR主要集中在纳米金属线表面两个尖锐的边缘，从而在每一纳米金属线的两侧均引起局域电磁场增强；另一方面在微孔底部产生SPW，SPW在水平传播过程中会受到微孔内壁的反射，从而与前向传播的SPW干涉形成驻波而被束缚在微孔内部，驻波的电磁场也有一定程度的增强且主要集中在微孔的边缘；从而整个微孔内的电磁场均得到增强，可使SPR传感芯片的灵敏度提高15?30倍；同