感测芯片的制作方法

本发明涉及一种芯片，且特别是涉及一种感测芯片。
背景技术：
：局部化表面等离子体共振(localizedsurfaceplasmonresonance,lspr)技术是一种免荧光标定的检测方式。除了可缩短检测的流程与时间外，也不会发生因立体空间障碍而造成二次抗体(含荧光分子)接枝困难的问题。但目前lspr芯片的灵敏度和传统的elisa法相比，灵敏度较低。主要原因除了等离子体共振光谱较宽外，对于待测分子能否靠近金属纳米结构上的感测热点(hotspot)位置以产生有效的光谱位移也是一大重点。因此，如何使待测物有效地接枝在金属纳米结构上，是目前研究人员急欲解决的问题。技术实现要素：本发明的目的在于提供一种感测芯片，其具有高灵敏度以及对于待测分子的浓度具有高线性度。为达上述目的，本发明提供一种感测芯片，其包括基板、多个金属纳米结构、第一表面修饰层以及第二表面修饰层。金属纳米结构位于基板上。第一表面修饰层位于金属纳米结构的表面上，其中第一表面修饰层包括多个具有硫醇基的分子。第二表面修饰层位于基板的表面上，第二表面修饰层包括多个具有硅烷基的分子。基于上述，由于本发明的感测芯片的金属纳米结构与基板间相距一距离，使得感测热点由基板处调高并使感测热点裸露，因此具有较高的灵敏度。此外，本发明的感测芯片经过两阶段的表面修饰，因此除了可以增加待测物接枝在有效感测区的机率，也降低了因待测物沾粘在非感测区所造成的噪声干扰，进而提升在不同待测分子浓度下与信号的线性关系以及提高感测的灵敏度。为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合 所附的附图作详细说明如下。附图说明图1a至图1f为本发明的第一实施例所绘示的感测芯片的制作流程剖面示意图；图2a至图2c为本发明的第二实施例所绘示的感测芯片的制作流程剖面示意图；图3为实施例1的感测芯片于空气与水中的特征光谱的示意图；图4为比较例1的感测芯片于空气与水中的特征光谱的示意图；图5a为实施例1的能量热点分布的fdtd模拟结果的示意图；图5b为比较例1的能量热点分布的fdtd模拟结果的示意图；图6为灵敏度实验与fdtd模拟结果的比较图；图7为实施例2的待测分子浓度对应特征光谱红位移的关系图；图8为比较例2的待测分子浓度对应特征光谱红位移的关系图；图9a为实施例2的原子力显微照片的示意图；图9b为比较例2的原子力显微照片的示意图。符号说明10、20：感测芯片100、100a、300、400：基板110：光致抗蚀剂层111：图案化的光致抗蚀剂层120：图案化的掩模层122、144：开口130、132：堆叠结构140：金属材料层142、302、402：金属纳米结构142a：上表面142b：下表面142c：转角区150、160、250、260：表面修饰层152、252：具有硫醇基的分子162、262：具有硅烷基的分子202：支撑结构204：接触面304、404：感测热点l1：金属纳米结构的大小l2：接触面的宽度h1：金属纳米结构的高度h2：支撑结构的高度p：周期具体实施方式图1a至图1g为依照本发明的第一实施例所绘示的感测芯片的制作流程剖面示意图。首先，提供基板100，基板100例如是玻璃基板。基板100上已形成有光致抗蚀剂层110以及位于此光致抗蚀剂层110上的图案化的掩模层120。在本实施例中，光致抗蚀剂层110为有机光致抗蚀剂层，而图案化的掩模层120为图案化的无机光致抗蚀剂层。形成图案化的掩模层120的方法例如是在光致抗蚀剂层110上形成无机光致抗蚀剂层，然后再通过蓝光激光热光刻(blueraylaserthermallithography)制作工艺使无机光致抗蚀剂产生相变化，由此将无机光致抗蚀剂层图案化。图案化的掩模层120具有多个开口122，所述开口122裸露出部分的光致抗蚀剂层110。在本实施例中，开口122所裸露的区域是用来定义金属纳米结构的预定区域。接着，请参照图1b，以图案化的掩模层120作为蚀刻掩模，进行蚀刻制作工艺，移除开口122所裸露出的部分光致抗蚀剂层110，以形成多个彼此分隔的堆叠结构130。蚀刻制作工艺可为各向同性干蚀刻制作工艺或各向异性干蚀刻制作工艺。各向同性干蚀刻制作工艺例如是反应式离子蚀刻(reactiveionetching,rie)。各向异性干蚀刻制作工艺例如是感应耦合式等离子体蚀刻(inductivelycoupledplasmaetching,icp)堆叠结构130包括图案化的光致抗蚀剂层111与其上的图案化的掩模层120。在此步骤中，图案化的掩模层120的图案转移至图案化的光致抗蚀剂层111，也就是说，图案化的光致抗蚀剂层111的图案位置大致对应着图案化的掩模层120。然后，请参照图1c，在相邻堆叠结构130之间的基板100上以及每一 个堆叠结构130上形成金属材料层140，其中堆叠结构130与其上的金属材料层140构成堆叠结构132。形成金属材料层140的方法例如是电子束蒸镀法(e-beamevaporation)。金属材料层140的材料例如是银、金、铂、铜、铝或其组合，但本发明不限于此。金属材料层140的厚度例如是10nm至100nm。根据本实施例，由于光致抗蚀剂层111以及掩模层120的高度够高(<140nm)，因此于形成金属材料层140时，沉积在基板100上的金属材料层140与沉积在掩模层120上的金属材料层140分离开来。之后，移除基板100上的每一个堆叠结构132。移除堆叠结构132的方法包括进行湿式剥除法、干式剥除法或其组合。更细而言，通过湿式蚀刻或是干式蚀刻法以移除光致抗蚀剂层111的同时，可同时将位于光致抗蚀剂层111上的掩模层120以及金属材料层140剥除。接着，如图1d所示，再进行热回火制作工艺，以使得基板100上的金属材料层140形成多个金属纳米结构142。根据本实施例，相邻金属纳米结构142之间具有开口144，所述开口144裸露出部分的基板100。金属纳米结构142的大小l1例如是介于10nm至900nm。金属纳米结构142的高度h1例如是介于10nm至100nm。在本实施例中，如图1c以及图1d所示，图案化的掩模层120的开口122是以周期性且规则性的方式分布。因此每一个开口122的位置分别对应着每一个金属纳米结构142。也就是说，该些金属纳米结构142以周期性且规则性排列于基板100上，且其排列的位置图案对应着上述开口122。该些金属纳米结构142的周期p例如是介于15nm至1000nm，其中p>l1。周期性排列的结构具有高均匀度的优点，不会因为测量位置的改变而影响信号强度。此外，在本实施例中，金属纳米结构142的形状为半球型(如图1d所示)。在另一实施例中，也可为圆柱型、碟盘型、蛾眼型、三角柱型或上述的组合，但本发明不限于此，本领域通常知识者可依其需求而改变金属纳米结构的形状。而后，请参照图1e，在金属纳米结构142的表面上形成表面修饰层150，用以捕捉待测分子(例如病毒、抗原或蛋白质)对应的抗体(antibody)或核酸适体(aptamer)。表面修饰层150包括具有多个硫醇基(-sh)的分子152。具有硫醇基的分子152例如是11-巯基十一烷酸(11-mercaptoundecanoicacid,11-mua)、11-巯基十一胺(11-amino-1-undecanethiol,11-aut)、半胱胺(cysteamine)、4-氨基苯硫酚(4-aminothiophenol)、4-甲基苯硫酚 (4-methylthiophenol)、硫醇化核酸适体(thiolatedaptamer)或其组合。形成表面修饰层150的方法例如是将图1d所示的整体结构浸泡至上述化合物的溶液中。在浸泡的过程中，具有硫醇基的分子152的一端硫醇基与金属纳米结构142的表面的金属产生反应以形成共价键。虽然在图1e中可以看到表面修饰层150与部分的基板100接触，但图1e仅为示例用，在本实施例中，由于具有硫醇基的分子152仅会与金属反应而不会与基板100反应，因此仅会在金属纳米结构142的表面上形成表面修饰层150，并不会在基板100的表面上形成表面修饰层150。图1e所绘示的表面修饰层150为示意图，表面修饰层150与基板100之间由于不会产生反应，因而表面修饰层150的分子实际上不会形成在基板100表面。此外，在本实施例中，待测分子对应的抗体或核酸适体可有效地与表面修饰层150接枝(conjugation)，因此可提高待测分子被固定(immobilized)在有效感测区的机率，进而提升芯片感测的灵敏度。其后，请参照图1f，于基板100的表面上形成表面修饰层160，用以抵抗待测分子沾粘。表面修饰层160包括具有多个硅烷基的分子162。具有硅烷基的分子162例如二乙醇硅烷(poly(ethyleneglycol)-silane,peg-silane)、聚乙烯吡咯烷酮硅烷(polyvinylpyrrolidone-silane,pvp-silane)、聚氧化乙烯硅烷(polyethyleneoxide-silane,peo-silane)或其组合。形成表面修饰层160的方法例如是将图1e所示的整体结构浸泡至上述化合物的溶液中。在浸泡的过程中，具有硅烷基的分子162的硅烷基与基板100的表面的二氧化硅产生反应以形成共价键。至此，即完成感测芯片10的制作。在本实施例中，由于具有硅烷基的分子162仅会与基板100反应而不会与金属纳米结构142反应，因此仅会在基板100的表面上形成表面修饰层160，并不会在金属纳米结构142的表面上形成表面修饰层160。类似地，图1f所绘示的表面修饰层160为示意图，表面修饰层160与金属纳米结构142之间由于不会产生反应，因而表面修饰层160的分子实际上不会形成在金属纳米结构142的表面。在本实施例中，表面修饰层160可有效地抑制待测分子(例如抗原或蛋白质)沾粘在基板100的表面上，除了可减少因待测分子非专一性结合所造成的噪声干扰，也可增加待测分子固定在有效感测区的机率，进而提升感测的灵敏度与准确性。图2a至图2c是依照本发明的第二实施例所绘示的感测芯片的制作流程剖面示意图。在此必须说明的是，下述实施例沿用前述实施例的部分制作流程，并在图1d之后进行后续的制作工艺。因此，下述实施例将沿用前述实施例的元件标号与部分内容，其中采用相同的标号来表示相同或近似的元件，并且省略了相同技术内容的说明。关于省略部分的说明可参考前述实施例，下述实施例不再重复赘述。请参照图2a，在形成如图1d所示的金属纳米结构142之后，以金属纳米结构142为蚀刻掩模，对基板100进行湿式蚀刻法制作工艺(例如是使用hf或koh水溶液)，以形成基板100a以及位于其上的多个支撑结构202，其中支撑结构202位于基板100a与金属纳米结构142之间，以使金属纳米结构142与基板100a之间相距一距离。在本实施例中，湿式蚀刻的深度大致与支撑结构202的高度h2相同，可通过控制蚀刻的时间来控制支撑结构的高度。支撑结构202的高度h2例如是介于10nm至100nm。在本实施例中，金属纳米结构142具有上表面142a与下表面142b。在本实施例中，上表面142a为一圆弧表面，但本发明不限于此。下表面142b具有一转角区142c。下表面142b与支撑结构202之间具有接触面204。由于湿式蚀刻法为各向同性蚀刻，因此在进行湿式蚀刻法的过程中，除了会蚀刻部分开口144所裸露的基板100，也会侧向蚀刻部分的金属纳米结构142下方的基板100，因此接触面204的宽度l2小于金属纳米结构142的宽度l1。接着，请参照图2b，在金属纳米结构142的表面上形成表面修饰层250，用以捕捉待测分子对应的抗体或核酸适体。表面修饰层250包括多个具有硫醇基(-sh)的分子252。具有硫醇基的分子252例如是11-巯基十一烷酸(11-mercaptoundecanoicacid,11-mua)、11-巯基十一胺(11-amino-1-undecanethiol,11-aut)、半胱胺(cysteamine)、4-氨基苯硫酚(4-aminothiophenol)、4-甲基苯硫酚(4-methylthiophenol)、硫醇化核酸适体(thiolatedaptamer)或其组合。形成表面修饰层250的方法例如是将图2a所示的整体结构浸泡至上述化合物的溶液中。在浸泡的过程中，具有硫醇基的分子252的一端硫醇基与金属纳米结构142的上表面142a、下表面142b及转角区142c的金属产生反应以形成共价键。虽然在图2b中可以看到表面修饰层250与部分的支撑结构202接触， 但图2b仅为示例用，在本实施例中，由于具有硫醇基的分子252仅会与金属反应而不会与支撑结构202以及基板100a反应，因此仅会在金属纳米结构142的上表面142a、下表面142b及转角区142c上形成表面修饰层250，并不会在支撑结构202以及基板100a的表面上形成表面修饰层250。此外，在本实施例中，待测分子(例如抗原或蛋白质)所对应的抗体或核酸适体可有效地与表面修饰层250接枝，因此可提高待测分子固定在芯片有效感测区的机率，进而提升感测的灵敏度。在本实施例中，由于支撑结构202位于基板100a与金属纳米结构142之间，使得金属纳米结构142与基板100a之间相距一距离，可使位于金属纳米结构142的转角区142c与基板100a交界处的感测热点往上调离基板100a，有利待测物从四面八方靠近，减少固定时空间立体障碍的影响。此外，湿式蚀刻制作工艺的侧蚀效果可掏空感测热点下方的基板，让感测热点更裸露在周围环境中，进而提高感测的灵敏度。然后，请参照图2c，在基板100a的表面上以及支撑结构202的表面上形成表面修饰层260，用以抵抗待测分子沾粘。表面修饰层260包括多个具有硅烷基的分子262。具有硅烷基的分子262例如二乙醇硅烷(poly(ethyleneglycol)-silane,peg-silane)、聚乙烯吡咯烷酮硅烷(polyvinylpyrrolidone-silane,pvp-silane)、聚氧化乙烯硅烷(polyethyleneoxide-silane,peo-silane)或其组合。形成表面修饰层260的方法例如是将图2b所示的整体结构浸泡至上述化合物的溶液中。在浸泡的过程中，具有硅烷基的分子262的硅烷基与基板100a以及支撑结构202的表面的二氧化硅产生反应以形成共价键。至此，即完成感测芯片20的制作。在本实施例中，表面修饰层260可有效地抑制待测分子(例如抗原或蛋白质)沾粘在基板100a以及支撑结构202的表面上，除了可减少因待测分子非专一性结合所造成的噪声干扰，也可增加待测分子固定在有效感测区的机率，进而提升感测的灵敏度与准确性。以下，列举本发明的实施例以更具体对本发明进行说明。然而，在不脱离本发明的精神，可适当地对以下的实施例中所示的材料、使用方法等进行变更。因此，本发明的范围不应以以下所示的实施例来限定解释。[lspr感测芯片的结构设计实验]在本实验中，使用时域有限差分(finite-difference-time-domain,fdtd) 法来分析模拟结构1-3。模拟结构1具有如图2a所示的结构，其中金属纳米结构的材料为金；模拟结构2具有如图1d所示的结构，其中金属纳米结构的材料为金；模拟结构3的结构与模拟结构2相似，其差别在于模拟结构3的纳米结构为由金-氧化铝-金所组成的多层三明治金属纳米结构。表1显示经过fdtd法分析后的模拟结构1-3的灵敏度与制作工艺良率。如表1所示，模拟结构1、模拟结构2与模拟结构3的灵敏度分别为331nm/riu、230nm/riu、280nm/riu。由上述结果可知，模拟结构1具有最高的灵敏度以及具有高的制作工艺良率，因此适合将模拟结构1设计作为lspr芯片的结构。表1灵敏度(nm/riu)制作工艺良率模拟结构1331高模拟结构2230高模拟结构3280低[lspr感测芯片的灵敏度实验]实施例1实施例1为具有如图2a所示的结构的感测芯片(即有对基板进行湿式蚀刻法制作工艺)。将实施例1的感测芯片分别置于空气(折射率为1.0)以及水(折射率为1.33)中，通过测量其lspr特征光谱(characteristicspectra)的变化来推算其灵敏度。图3为实施例1的感测芯片于空气与水中的特征光谱。如图3所示，将实施例1的感测芯片由折射率较低的空气移至折射率较高的水中，其特征光谱因介质折射率升高而红位移117nm，依此推算出的灵敏度为351nm/riu。比较例1比较例1为具有如图1d所示的结构的感测芯片(即未对基板进行湿式蚀刻法制作工艺)。将比较例1的感测芯片分别置于空气(折射率为1.0)以及水(折射率为1.33)中，通过测量其lspr特征光谱的变化来推算其灵敏度。图4为比较例1的感测芯片于空气与水中的特征光谱。如图4所示，将比较例1的感测芯片由折射率较低的空气移至折射率较高的水中，其特征光谱因介质折射 率升高而红位移63nm，依此推算出的灵敏度为189nm/riu。由上述结果可知，实施例1相较于比较例1具有较高的灵敏度。图5a为实施例1的能量热点分布的fdtd模拟结果。图5b为比较例1的能量热点分布的fdtd模拟结果。相较于比较例1的感测热点404位于基板400与金属纳米结构402的交界处，由于实施例1的金属纳米结构302与基板300之间相隔一距离，使得实施例1的感测热点304裸露，因此实施例1更有利待测物从四面八方接近感测热点。[蚀刻深度对灵敏度的影响]由于蚀刻时间可对应所蚀刻的深度，因此为了进一步测试具有不同蚀刻深度的感测芯片的灵敏度，可对如图1d所示的感测芯片进行不同时间条件的湿式蚀刻制作工艺，并测量各个不同蚀刻时间条件所制作的感测芯片的灵敏度。此外，将上述所测得的结果与对应的fdtd模拟结果进行叠合。图6为灵敏度实验与fdtd模拟结果的比较图。如图6所示，灵敏度实验的结果与fdtd模拟结果的趋势吻合。当蚀刻的深度越深，则所制造的感测芯片的灵敏度越高。此现象可由感测芯片的感测热点的位置来解释，当蚀刻深度为零时(即如图1d所示的结构)，感测热点位于金属纳米结构与基板的交界处，因此大部分的能量被埋在基板内，因此感测芯片的灵敏度较低。然而，随着蚀刻的时间越长(即蚀刻深度与侧向蚀刻增加)，感测热点与基板的距离增加，感测热点更裸露在周围环境中，因此感测芯片的灵敏度较高。[生物素-抗生物素蛋白系统测试]为了测试本发明所制作的lspr感测芯片在生物样本上实际测试的结果，在本实施例中，使用具有专一性且亲和力较高的生物素-抗生物素蛋白系统(biotin-avidinsystem)进行实验，其中所选用的biotin为nh2-peg4-biotin，所选用的avidin为neutravidin。neutravidin为avidin去醣基后的改良型抗生物素蛋白，较不会产生沾粘。实施例2(进行两阶段表面修饰)首先，将如图1d所示的感测芯片泡在0.1mm的11-胺基-十一烷硫醇(11-amino-1-undecanethiol,11-aut)溶液中24小时，以进行第一阶段表面修饰。接着，再将感测芯片泡在6mm的2-[甲氧基(聚氧乙烯)丙基]三甲氧基硅烷(2-[methoxy(polyethyleneoxy)propyl]trimethoxysilane,m-pegsilane)溶液中，在氮气环境下加热60℃反应24小时，以进行第二阶段表面修饰。 然后，将感测芯片泡在0.25％的戊二醛(glutaraldehyde,gta)溶液中。在此过程中，戊二醛其中一端的醛基会与11-aut的胺基形成共价键。之后，再将1mm的nh2-peg4-biotin溶液滴在感测芯片上并摇晃半小时，在此过程中，戊二醛另一端的醛基会与nh2-peg4-biotin的胺基形成共价键。接着，以磷酸缓冲溶液清洗感测芯片。之后，分别将不同浓度(0.5μg/ml、5μg/ml、50μg/ml、500μg/ml)的neutravidin溶液滴加至感测芯片上并摇晃半小时。在此过程中，nh2-peg4-biotin会与neutravidin产生专一性的结合。比较例2(仅进行一阶段表面修饰)使用如实施例2相似的方法，其差别仅在于比较例2的感测芯片只进行第一阶段(11-aut)表面修饰，没有进行第二阶段(m-pegsilane)表面修饰。图7为实施例2的待测分子浓度对应特征光谱红位移的关系图。图8为比较例2的待测分子浓度对应特征光谱红位移的关系图。请参照图7，在0.5～50μg/ml浓度范围，随着待测分子(即neutravidin)的浓度增加，特征光谱红位移也增加，也就是说，待测分子浓度与特征光谱红位移(可对应为信号强度)为一线性关系，且此线性关系至待测分子浓度为超过50μg/ml时会因待测分子满铺芯片表面而达饱和使光谱变化趋缓。请参照图8，随着待测分子的浓度增加，特征光谱红位移并不会跟着增加，也就是说，待测分子浓度与特征光谱红位移并非为线性关系。图9a为实施例2的原子力显微(atomicforcemicroscope,afm)照片。图9b为比较例2的原子力显微照片。请同时参照图9a与图9b，经过待测物(即neutravidin)接枝后的芯片，由afm影像可看出，未经过两阶段修饰的芯片(即比较例2)，在玻璃基板处有很多待测物已经吸附在上面形成团聚，表面粗糙度(rq)为6.7nm，由此可知，很大一部分的待测物已经损失了，也因此影响浓度测量的线性关系。相对而言，经过两阶段修饰的芯片(即实施例2)，玻璃基板的沾粘少很多，表面粗糙度(rq)为2.3nm，理论上不会有数量损失，可以让大部分的待测物只与金属纳米结构接枝，可提高系统测量的稳定度与再现性。由上述结果可知，由于本发明的感测芯片进行了两阶段表面修饰，因此可避免待测分子沾粘在非感测区上，因此可提高待测分子接枝在感测区的机率，进而提升待测分子浓度对信号强度的线性关系。综上所述，本发明的感测芯片的金属纳米结构与基板间相距一距离，使得感测热点远离基板并裸露，因此具有较高的灵敏度。此外，本发明的感测芯片经过两阶段的表面修饰，因此除了可以增加待测物接枝在有效感测区的机率，也降低了因待测物沾粘在非感测区所造成的噪声干扰，进而提升在不同待测分子浓度下与信号的线性关系以及提高感测的灵敏度。虽然结合以上实施例公开了本发明，然而其并非用以限定本发明，任何所属
技术领域：
中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，可作些许的更动与润饰，故本发明的保护范围应当以附上的权利要求所界定的为准。当前第1页12