包含柔性纳米结构的传感器及其制造方法
【专利说明】包含柔性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N0.10-2013-0159751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柔性纳米结构的传感器，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，生物传感器可以包括用于将阳极与阴极电连接的纳米结构，且纳米结构可以包括纳米粒子，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依靠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]纳米结构可根据应用领域按不同尺寸被制造，并且可被用于高灵敏的电学、化学，及光学应用。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柔性纳米结构的传感器，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，以及用于制造传感器的方法。
[0010]同样，各种实施例涉及包括柔性纳米结构的传感器，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柔性衬底上检测标记物的纳米结构，其中纳米结构包括:连接层，其包括与柔性衬底结合的连接基团；以及由与连接基团结合的金属离子生长的金属纳米粒子。
[0012]柔性衬底可以是具有羟基(-OH)官能团的有机材料，该官能团适于与有机材料表面的连接基团结合。
[0013]传感器还可包括:与金属纳米粒子表面结合的受体。
[0014]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。
[0015]柔性衬底可以是聚合物，其包括从聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙酰纤维素(TAC)、聚醚砜(PES)、聚二甲硅氧烷(PDMS)中选择的一种或两种以上的化合物。
[0016]纳米结构的制造还可以包括与金属离子或纳米粒子表面相结合的一种或多种有机表面活性剂。
[0017]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。
[0018]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，其适用于被结合到金属离子。
[0019]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。
[0020]金属纳米粒子可被安排为彼此分离，以形成单纳米粒子层(一个纳米粒子厚度的层)。
[0021]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。
[0022]在另一个实施例中，传感器可包括作为检测元件用于在柔性衬底上检测标记物的纳米结构，其中纳米结构包括:形成于柔性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。
[0023]柔性衬底可以是具有羟基(-OH)官能团的有机材料，该官能团适于与有机材料表面的连接基团结合。
[0024]传感器还包括与金属纳米粒子表面结合的受体。
[0025]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至少一种。
[0026]柔性衬底可以是聚合物，其包括从聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳酸酯(PC)、聚丙烯(PP)、三乙酰纤维素(TAC)、聚醚砜(PES)、聚二甲硅氧烷(PDMS)中选择的一种或两种以上的化合物。
[0027]电介质材料粒子载体，其具有与之结合的连接基团，可被设置在柔性衬底上以形成单支撑层或垂直堆叠的多层。
[0028]每个连接基团可包括选自以下群组的官能团:胺基，羧基，和硫醇基，其适用于结合到金属离子。
[0029]纳米结构的制造还可包括在金属离子生长(还原或聚集)前与金属离子表面或生长中的纳米粒子/离子表面结合的一种或多种有机表面活性剂。
[0030]在另一个实施例中，制造传感器的方法包括:形成柔性衬底；形成连接层，其包括柔性衬底上的连接基团；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。
[0031]柔性衬底的形成可以包括形成具有羟基(-OH)官能团的有机材料，该官能团适于与有机材料表面的连接基团结合。
[0032]可通过施加能量生长金属离子。
[0033]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。
[0034]连接层可以通过向该柔性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。
[0035]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。
[0036]每个连接基团可具有适于与金属离子结合的官能团。
[0037]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。
[0038]在另一个实施例中，用于制造传感器的方法可以包括形成柔性衬底；在柔性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。柔性衬底的形成可以包括形成具有羟基(-OH)官能团的有机材料，该官能团适于与有机材料表面的连接基团结合。
[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溶液；以及用载体材料涂覆柔性衬底或将载体材料溶液沉积在柔性衬底上。
[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。
【附图说明】
[0043]图1是根据本发明第一实施例示出了部分传感器的侧视图。
[0044]图2A至图2E是根据本发明第一实施例说明的用于制造传感器平台的方法的侧视图。
[0045]图3A至图3D是根据本发明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】
[0046]在下文中，根据实施例的具有纳米结构作为检测元件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。
[0047]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。
[0048]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。在下文中，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。
[0049]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。
[0050]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(一个纳米粒子厚度)或多层(多个纳米粒子厚度)的金属纳米粒子13A。
[0051]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。标志物为目标材料且示例包括酶、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。
[0052]【根据本发明第一实施例的传感器平台及其制造方法】
[0053]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。
[0054]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。
[0055]图2A示出了结合到制备好的连接基团120A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。
[0056]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。
[0057]柔性衬底的非限定示例包括由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚碳