长程表面等离子体共振传感器及制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及生物传感器领域，特别是涉及一种长程表面等离子体共振传感器的制备及其传感器应用。
【背景技术】
[0002]光学表面等离子共振是一种光学物理现象。当一束P偏振光在一定的角度范围内入射到棱镜端面，在金属薄膜(Au或Ag)与分析物的界面将产生表面等离子波。当入射光波的传播常数与表面等离子波的传播常数相匹配时，引起金属膜内自由电子产生共振，即表面等离子共振。发生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现共振峰(即反射强度最低值)。分析时，先在传感芯片表面固定一层生物分子识别膜，然后将待测样品流过芯片表面，若样品中有能够与芯片表面的生物分子识别膜相互作用的分子，会引起金膜表面折射率变化，最终导致表面等离子体共振角变化，通过检测表面等离子体共振角度变化，获得被分析物的浓度、亲和力、动力学常数和特异性等信息。
[0003]与传统的相互作用技术如超速离心，荧光法，热量测定法等相比，表面等离子体共振生物传感器具有检测方便快捷、灵敏度高且无需样品标记、能够实时检测、高质量分析数据等优点，近年来已被广泛应用于临床诊断、食品和药物分析、工业控制、环境保护以及生物技术等研宄领域中。
[0004]然而，传统的表面等离子体共振生物传感技术通常利用产生于金属层和被分析物分界面上的表面等离子体共振效应，因其表面等离子体在金属中强烈衰减，导致传播距离较短，衰逝波渗透深度也仅有约200纳米左右，影响了传感器的灵敏度和分辨率，不适用于对细胞、大分子、病菌等的检测。
[0005]针对传统表面等离子体共振传感器的局限，近年来人们开始开发长程表面等离子体共振传感器技术。金属膜被嵌入在电介质缓冲层与分析物之间，电介质缓冲层与水相分析物的折射指数相近，能在金属膜两侧营造一种对称环境。该对称环境在薄金属膜两侧会引起相同的表面等离子波，这两种波相互作用叠加，从而被激发的长程表面等离子体波的传播长度，穿透深度，以及电磁场强度都显著提高。与传统表面等离子体共振传感器相比，其具有更高的灵敏度和分辨率。
[0006]现阶段已有的长程表面等离子共振传感器的电介质缓冲材料包括TeflonAF(n =
1.31)、Cytop (η = 1.34)或 MgF2 (η = 1.38)。但 TeflonAF、MgF2具有一定的毒性。此外，缓冲材料制备工艺一般为蒸镀法或旋涂法，制膜方法比较复杂，如旋涂法，薄膜厚度由旋涂速率及溶液浓度控制，故需用特殊溶剂溶解聚合物成特定浓度，旋涂后，薄膜还需要进行高温烘焙等一系列复杂步骤以移去特殊溶剂。
[0007]采用等离子体聚合沉积技术，对具有一定单体压力的氟碳薄膜能够产生等离子体。通过输入不同功率，采用不同放电方式，可以制备出所需厚度、折射指数及化学性能好的薄膜，能够作为长程表面等离子体共振传感器的电介质缓冲材料。且该制膜方法具有快速、操作简便、环保且可以大规模工业化生产等优点。在长程表面等离子体共振传感器构建中具有一定的应用价值。
[0008]金膜作为金属传导层，虽没有银产生的共振峰的半峰宽窄，灵敏度不如银的高，但其化学性质稳定，生物亲和性好，且单位折射指数下共振角变化更大。作为长程表面等离子共振传感器的传导层，金是一种很好的选择。
【发明内容】
[0009]本发明的目的是提供一种新颖制备方法制备出性能良好的氟碳薄膜，能够作为电介质缓冲层材料形成长程表面等离子体模式，进而构建一种具有较高灵敏度的长程表面等离子体共振传感器。
[0010]本发明所采用的技术方案是:
[0011]一种长程表面等离子体共振传感器，其特征是该传感器芯片依次由BK7玻璃、氟碳薄膜、金膜组成，所述的氟碳薄膜采用等离子体沉积法制备。
[0012]芯片制备方法包括以下具体步骤:
[0013]a.选用BK7玻璃作为该传感器芯片基底；
[0014]b.对BK7玻璃片依次镀膜
[0015]i)氟碳薄膜
[0016]采用等离子体沉积法对BK7玻璃沉积氟碳薄膜，等离子反应室真空压力低于0.5帕斯卡，单体压力为5?20帕斯卡，等离子体放电模式为脉冲或连续模式，射频电源输入功率为O?200瓦特，氟碳薄膜折射指数为1.34?1.40，沉积时间为8?16分钟，氟碳薄膜厚度为480?1200纳米；
[0017]ii)金膜
[0018]采用真空蒸镀法对BK7玻璃蒸镀金膜，真空腔体真空压力为6 X 10_4帕斯卡，蒸镀电流为129?142安培，蒸镀速率为0.5?10埃/秒，时间为O?10分钟，金膜厚度为15?30纳米。与现有技术相比，本发明的有益效果是:
[0019]1、方法新颖。等离子聚合沉积法首次应用于生物传感器电介质缓冲材料的制备中。该制备方法具有其他方法(如蒸镀法或旋涂法)不可比拟的优越性，如操作简便、条件可控，可制备所需各种厚度及一定范围折射指数的氟碳薄膜。
[0020]2、氟碳薄膜稳定性好。通过等离子聚合沉积法制备的氟碳薄膜与BK7玻璃基板及金膜均有良好的粘附性，无需添加粘附层。且氟碳薄膜在水溶液中具有良好的稳定性。
[0021]3、可构建一种灵敏度较高的长程表面等离子体共振传感器。氟碳薄膜折射指数与水相分析物的折射指数相近，能在金属膜两侧营造一种对称环境。构建的长程表面等离子体共振传感器，在角度调制的模式下，对本体溶液进行检测，其共振吸收峰的半峰宽相比传统表面等离子体共振传感器要跟窄，灵敏度也更高。
【附图说明】
[0022]图1为本发明传感器的结构示意图
[0023]图2为本发明传感器氟碳薄膜制备用的等离子体沉积反应器示意图
[0024]图3为本发明传感器在以浓度为22%的乙二醇水溶液为待测物时的共振吸收峰图
【具体实施方式】
[0025]实施例1
[0026]参阅图1，本发明传感器由棱镜I和BK7玻璃片2组成，玻璃片2外表面依次镀有氟碳薄膜3和金膜4 ;金膜4与待测物溶液直接接触；入射的P偏振光5在氟碳薄膜3和金膜4的界面发生全反射，反射光6由检测器接收。
[0027]参阅图2，本发明中所用等离子体沉积反应器由真空泵1、法拉第笼2中的等离子反应室3、基片承载台4、单体瓶5、线圈6、压力传感器7、射频电源8、射频匹配器9及脉冲调制器10组成。
[0028]芯片制备过程:
[0029]本传感器芯片中氟碳薄膜采用等离子体沉积法制备；首先在BK7玻璃上沉积氟碳薄膜3，单体选用十七氟-1-癸烯，反应室真空压力为0.6帕斯卡，沉积时单体压力为10帕斯卡，放电模式采用连续波模式，射频电源输入功率为60瓦特，沉积时间为7分钟，沉积出的氟碳薄膜3厚度为690纳米，折射指数为1.38。然后在氟碳薄膜3表面蒸镀金膜4 ;真空腔体真空压力为6X 10_4帕斯卡，蒸镀电流为137安培，蒸镀速率为1.1埃/秒，蒸镀时间为200秒，金膜厚度为22纳米。
[0030]参阅图3，该图为角度调制模式下，入射光为氦氖激光(波长为633纳米)，待测物为22%乙二醇溶液时，本发明的长程表面等离子体共振传感器的反射光光谱图。
【主权项】
1.一种长程表面等离子体共振传感器，其特征是该传感器芯片依次由BK7玻璃、氟碳薄膜、金膜组成，所述的氟碳薄膜采用等离子沉积法制备。
2.根据权利要求1所述的长程表面等离子体共振传感器，其特征是，所述的氟碳薄膜所采用的单体为十四氟己烷、十七氟-1-癸烯或全氟萘烷中的一种。
3.根据权利要求1所述的长程表面等离子体共振传感器，其特征是，芯片制备方法包括以下具体步骤: a、选用BK7玻璃作为该传感器芯片基底； b、对BK7玻璃片依次镀膜 i)氟碳薄膜 采用等离子体沉积法对BK7玻璃沉积氟碳薄膜，等离子反应室压力低于0.5帕斯卡，单体压力为5?20帕斯卡，等离子体放电模式为脉冲或连续模式，射频电源输入功率为O?200瓦特，氟碳薄膜折射指数为1.34?1.40，沉积时间为8?16分钟，氟碳薄膜厚度为480?1200纳米； ii)金膜 采用真空蒸镀法对BK7玻璃蒸镀金膜，真空腔体真空压力为6X 10_4帕斯卡，蒸镀电流为129?142安培，蒸镀速率为0.5?10埃/秒，时间为O?10分钟，金膜厚度为15?30纳米。
【专利摘要】本发明公开了长程表面等离子体共振传感器及制备方法。其传感器依次由棱镜、BK7玻璃、电介质层(氟碳薄膜)和金膜构成；金膜与待测液体直接接触，在角度调制的模式下，检测长程表面等离子体共振传感器的灵敏度。传感器电介质材料首次采用等离子沉积法制备，该方法快速、操作简便、环保且可以大规模工业化生产，以十七氟-1-癸烯为单体制备的氟碳薄膜折射指数约为1.38，与本体溶液折射率接近。可在金膜两侧耦合形成长程表面等离子波。该氟碳薄膜作为一种新型电介质材料，与玻璃基板及金膜有良好的粘附性，且化学稳定性很好。应用于长程表面等离子体共振传感器中，相比传统表面等离子体共振传感器，其共振吸收峰的半峰宽更窄，灵敏度更高。
【IPC分类】G01N21-552
【公开号】CN104697961
【申请号】CN201410775343
【发明人】褚立强, 王磊
【申请人】天津科技大学
【公开日】2015年6月10日
【申请日】2014年12月15日