包含纳米结构的传感器及其制造方法
【专利说明】包含纳米结构的传感器及其制造方法
[0001]相关申请的交叉参考
[0002]本申请要求于2013年12月19日提交的申请号为N0.10_2013_0159753的韩国专利申请的优先权，其在此通过引用被全部并入本文中。
技术领域
[0003]本发明的各种实施例涉及一种具有作为检测元件的纳米结构的传感器，以及该传感器的制造方法。
【背景技术】
[0004]纳米结构被广泛用作传感器，其可通过与金属纳米粒子配体的方式检测光、酶、病毒、气体，和重金属。
[0005]特别地，用一种贵金属金制造的纳米粒子，表面等离子体共振(SPR)现象会发生。SPR现象在入射光激发电子集体振荡时发生。金纳米粒子具有期望的物理、化学和光学特性，其支持此现象及其应用。
[0006]例如，生物传感器经常包括用于将阳极与阴极电连接的纳米结构，且纳米结构包括纳米粒子，纳米粒子与受体结合或被受体包覆。
[0007]由于纳米结构的电导性根据被吸收的光的波长而变化，纳米结构技术可被应用于光学传感器。
[0008]纳米结构可按不同尺寸被制造以适应于特别的应用领域，并且可被用于高灵敏的电学、化学，及光学感应。但是，由于过程复杂，将该技术用于大规模生产能力有限。此外，纳米粒子需要均匀并高浓度地被制备以用于电传感和高速操作。
【发明内容】
[0009]各种实施例涉及包括纳米结构的传感器，以及用于制造纳米结构的方法。纳米结构允许大规模生产，其简单并适于控制纳米粒子的大小。
[0010]同样，各种实施例涉及包括纳米结构的传感器，其可确保甚至在被按比例缩放(scale)时，应用设备中的操作稳定性、可重复性和可靠性。
[0011]在一个实施例中，传感器包括作为检测元件用于在衬底上检测标记物的纳米结构，其中纳米结构包括:连接层，其包括与衬底结合的连接基团；以及在连接层上的由金属离子形成的金属纳米粒子。
[0012]传感器还可包括:与金属纳米粒子表面结合的受体。
[0013]受体可以是从酶底物、配体、氨基酸、肽、蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物中选择的一个或多个。
[0014]衬底可包括有连接基团与其结合的表层。
[0015]纳米结构的制造还可以包括在金属离子生长之前与金属离子的表面相结合的，或与正在生长的纳米粒子/金属离子表面相结合的一种或多种有机表面活性剂。
[0016]金属纳米粒子可具有约0.5纳米至3纳米的平均粒子直径。
[0017]每个连接基团可包括选自以下群组的一个官能团:胺基，羧基，和硫醇基，其适用于结合到金属离子。
[0018]连接层可包括自组装单分子层(单个分子厚度的粒子层)或硅烷化合物层。
[0019]金属纳米粒子可被安排为彼此分离，以形成单层(一个金属纳米粒子厚度的层)。
[0020]纳米结构可具有垂直多重堆叠(mult1-stack)结构，其中连接层和纳米粒子层交替重复堆叠。
[0021]在另一个实施例中，传感器可包括作为检测元件用于在衬底上检测标记物的纳米结构，其中纳米结构包括:形成于衬底上的电介质材料粒子载体；与电介质材料粒子载体表面结合的连接基团；以及与连接基团结合的由金属离子形成的金属纳米粒子。
[0022]传感器还包括与金属纳米粒子表面结合的受体。
[0023]受体可以是选自酶底物、配体、氨基酸、肽、蛋白质、核酸、脂质和碳水化合物中的一种或多种。
[0024]电介质材料粒子载体，其具有与之结合的连接基团，可被设置在衬底上以形成单支撑层或垂直堆叠的多层。
[0025]每个连接基团可包括选自以下群组的一个官能团:胺基，羧基，和硫醇基，其适用于结合到金属离子。
[0026]纳米结构还可包括在金属离子长成前或金属离子正在生长时的，与金属离子表面结合的一种或多种有机表面活性剂。
[0027]金属纳米粒子可具有约0.5至3纳米的平均粒子直径。
[0028]在另一个实施例中，制造传感器的方法包括:形成连接层，其包括衬底上的连接基团；将金属离子结合到连接层的连接基团；通过生长金属离子形成金属纳米粒子；以及将受体结合到金属纳米粒子表面。
[0029]可通过施加能量生长金属离子。
[0030]方法还可包括在施加能量之前或其过程中提供一种或多种有机表面活性剂。
[0031]连接层可以通过向该衬底的表面供应连接基团溶液形成，其中连接基团溶于溶剂中。
[0032]连接层可以通过使用含有连接基团的气体的原子层沉积(ALD)法形成。
[0033]每个连接基团可具有适于与金属离子结合的官能团。
[0034]将金属离子结合到连接层的连接基团可包括将金属前体应用到连接基团。
[0035]金属离子与连接层连接基团的结合可包括将溶解有金属前体的金属前体溶液应用到连接基团，或提供金属前体气体到连接基团。
[0036]能量可选自热能、化学能、光能、震荡能、离子束能、电子束能和辐射能中的一个或多个。
[0037]金属纳米粒子可通过在能量施加过程中施加与金属离子不同种类的材料，由选自金属纳米粒子，金属氧化物纳米粒子，金属氮化物纳米粒子，金属碳化物粒子和金属互化物纳米粒子中的一种或多种而形成。
[0038]在另一个实施例中，用于制造传感器的方法可以包括在衬底上形成具有结合在衬底上的连接基团的电介质材料粒子载体；将金属离子结合到连接基团；由金属离子形成金属纳米粒子；以及将受体结合至金属纳米粒子的表面。
[0039]金属离子可通过施加能量的方式生长。
[0040]方法还可包括在施加能量之前或期间提供一种或多种有机表面活性剂
[0041]形成具有结合于其上的连接基团的电介质材料粒子载体可包括:通过将电介质材料粒子载体与连接基团在溶剂中混合以形成溶液的方式制备载体材料；以及用载体材料涂覆衬底或将载体材料通过电介质载体材料/连接基团溶液沉积在衬底上。
[0042]将金属离子结合到连接基团可包括将金属前体施加到连接基团。
[0043]金属离子到连接基团的结合可包括将含有金属前体的溶液施加至连接基团，或将金属前体气体施加至连接基团。
[0044]能量可选自热能、化学能、光能、震荡能、离子束能、电子束能和辐射能中的一个或多个。
[0045]金属纳米粒子可通过在能量施加过程中施加与金属离子不同种类的材料，由选自金属纳米粒子，金属氧化物纳米粒子，金属氮化物纳米粒子，金属碳化物粒子和金属互化物纳米粒子中的一种或多种而形成。
【附图说明】
[0046]图1是根据第一实施例示出了部分传感器的侧视图。
[0047]图2A至图2E是根据第一实施例说明的用于制造传感器平台的方法的侧视图。
[0048]图3A至图3D是根据第二实施例说明的用于制造传感器平台的方法的侧视图。
【具体实施方式】
[0049]在下文中，根据本发明的实施例的传感器及其制造方法将参考附图进行详细描述。然而，本发明将以不同的形式体现并不受到此处提出的实施例限制。而是，这些实施例被提供以便本发明将彻底并完整地，以及将完全向本技术领域内的技术人员传达本发明的保护范围。此外，附图不需要按比例绘制以及，在某些情况下，该比例将会被夸大以便于清楚地阐述本实施例的特征。贯穿整个说明书，在本发明的各个附图以及实施例中的相似被标记的部件与附图标记直接对应。同样，所有“实施例”指本发明的实施例。
[0050]应当容易理解的是，在本说明书中的“上”和“上面”的意思应当以最宽泛的方式解释以使“上”不仅仅意味着“直接位于其上”还意味着中间零件或其之间的层“上”，以及“上面”不仅仅意味着直接的上方还意味着中间零件或其之间的层的上方。还要注意的是，在本说明书中，“连接/联接”指一个组件与另一个组件不仅直接相连而且可以通过中间组件与另一组件相连。此外，只要没有特别指出，单数形式可以包括复数形式，并反之亦然。
[0051]除非另有说明，在此使用的所有术语，包括技术的或科学的术语，具有符合本发明的技术领域内技术人员可以理解的相同含义。在本说明书中，当其可能使本发明的主题模糊不清时，已知的功能和构造的详细说明将被省略。
[0052]图1为示出了根据第一实施例的传感器平台的一部分的侧面图。
[0053]参考图1，阳极12A和阴极12B在衬底11上形成，并彼此相对。同样地，纳米结构13形成在衬底11上。衬底11的形状和材料可根据应用领域而不同。纳米结构13可包括单层(一个金属纳米粒子厚度层)或多层(多个金属纳米粒子厚度层)中的金属纳米粒子13A0
[0054]图1示出了实施例传感器的一部分。但是本发明技术可被应用到不同的三维结构，且纳米结构13的位置和形状可不同以适应被应用的平台。本发明可被应用于任何具有金属纳米粒子的传感器以检测标志物。标志物为目标材料或能量形式。标志物的示例包括光、酶、病毒、气体和重金属。本发明中的纳米结构13可被应用于各种具有不同材料的物理结构中。
[0055]【根据本发明第一实施例的传感器平台及其制造方法】
[0056]图2A至2E为示出了根据第一实施例的传感器平台的制造方法的侧视图。该实施例关注在纳米结构的制造上，该纳米结构为检测元件。根据第一实施例的制造传感器平台的方法包括:将连接基团120A结合至衬底110 (见图2A);将金属离子130结合到连接基团120A(见图2B和图2C);以及通过向金属离子130施加能量由金属离子130形成金属纳米粒子140 (见图2D)。该根据第一实施例的传感器平台的制造方法还可包括将受体150结合在金属纳米粒子140的表面上。同样，该方法可还包括提供一种或多种有机表面活性剂，以在施加能量之前或期间控制金属纳米粒子140的大小。
[0057]图2A示出了结合到制备好的衬底110的连接基团120A。衬底110可具有表层114，表层具有适于结合至连接基团120A的官能团。例如，衬底110可为硅衬底112，包括作为表层114的二氧化硅(S12)层。
[0058]衬底110可为半导体衬底、透明衬底，以及柔性衬底，且衬底110的材料、结构和形状可根据被应用到的应用设备而不同。同时，衬底110可作为对传感器平台组件的物理支撑的组元，例如，电极，或衬底110可以是组元的原材料。
[0059]柔性衬底的非限定示例包括由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇