[發明專利]一種在微流控芯片中制備多級金屬微納結構的方法

有效

• 申請號: 201110226358.2
• 申請日: 2011-08-09
• 公開（公告）號: CN102311095A
• 公開（公告）日: 2012-01-11
• 發明（設計）人: 徐彬彬;孫洪波;夏虹;陳岐岱;張永來
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: B81C1/00
• 分類號: B81C1/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 張景林;劉喜生

技術領域

本發明屬于微電子學與生命科學技術領域，具體涉及一種利用飛秒激光誘導金屬銀還原技術，在各種平面襯底及微流控芯片通道等非平面襯底上選擇性制備或集成金屬微納結構的方法。

背景技術

微流控芯片技術(Microfluidics)又稱生物芯片技術，是把生物、化學、醫學分析過程的樣品制備、反應、分離、檢測等基本操作單元集成到一塊微米尺度的芯片上，自動完成分析全過程。由于它在生物、化學、醫學等領域的巨大潛力，該技術已經發展成為一個生物、化學、醫學、流體、電子、材料、機械等學科交叉的嶄新研究領域。微流控芯片具有液體流動可控、試劑消耗極少、分析速度顯著提高等特點，它可以在幾分鐘甚至更短的時間內進行上百個樣品的同時分析，并且可以在線實現樣品的預處理及分析全過程。

用于芯片的微納制造技術包括：由傳統機械加工手段發展的精密及超精密機械加工技術、Si-MEMS技術、LIGA(光刻、電鑄、塑鑄)等技術。然而隨著微流控芯片技術日新月異的發展，人們對微流控芯片提出更高、更多的智能化功能需求。但現有技術對于真三維芯片的制備無能為力，更無法在已有的微流控芯片通道內進行二次加工，進而實現對其功能的附加。盡管金屬多級結構對于微流控芯片十分重要，目前仍然無法將金屬微納結構作為表面增強拉曼襯底或催化劑等其他功能選擇性、局域化地集成固載于微流控芯片當中。在這種背景下，飛秒激光微納加工技術被成功引入微流控芯片的制備與功能集成領域，為解決上述問題帶來很大的希望。

激光微加工是一項精細的“直寫”技術，可以實現微型器件的快速成型制造，其最大特點是不受微型器件或系統結構形狀的限制，可以在任意襯底上制備復雜三維微納器件。在激光微納加工的最初階段，主要以光敏樹脂為加工材料，目前加工材料體系已經延伸至半導體材料，磁性材料以及金屬材料等。所以將激光微納加工技術與微流控芯片系統技術相結合，在芯片系統內集成多種功能單元，包含金屬微納結構等將極大的促進生物芯片的深入應用。

在微流控芯片系統中，通過多種微納制造技術實現微泵浦閥、微混合器、微加熱器、微過濾器的集成應用體現了微流控體系功能集成化的進一步完善，使得微流控芯片的應用潛力進一步增大。與此同時，隨著芯片的應用范圍的擴大，對芯片系統的探測技術的要求進一步提升。傳統的芯片分析探測技術包括熒光檢測、化學發光檢測、紫外吸收度檢測、熱電偶檢測等，其中應用最廣的為熒光檢測技術，但是并非所有物質都具有熒光特性，解決無熒光或無熒光標記的物質分子的探測并能實現對分子結構的指紋式分析成了芯片系統亟待解決的難題。

表面增強拉曼散射技術(SERS)是拉曼光譜分析中的重要技術。SERS技術可以在分子水平上給出有關物質結構的信息，是一種高效的超靈敏檢測技術。尤其是在生物化學領域，SERS檢測更是顯示出了選擇性好，檢測對象廣泛，靈敏度高，生物兼容性好等優點。通常的SERS檢測襯底都是粗糙的金屬表面。盡管各式各樣的粗糙金屬表面已經被經典的微納加工技術實現，如光刻、自組裝、氣相沉積等技術都可以成功地制備出高SERS增強活性的金屬襯底。然而，在微流控通道內任意位置選擇性集成SERS探測襯底，同時實現微流體的SERS探測目前仍然罕有報道。

另一方面，金屬多級結構在化學催化領域也十分重要，金屬催化劑在石油、化工、醫藥、農藥、食品、環保、能源、電子等領域中都占有極其重要的地位。隨著微流控技術的不斷發展，微流控芯片中的催化反應受到了越來越多的關注。在此背景下，具有高比表面積的金屬催化劑與微流控芯片的集成成為研究者們追求的目標。

發明內容

本發明的目的在于克服現有微納制造技術中在微流控芯片等非平面襯底上難以集成多級金屬微納結構的問題，提出一種基于飛秒激光誘導金屬還原沉積技術在各種襯底上制備銀多級微納結構的方法。實現了在微流控芯片中選擇性集成金屬微納結構，為包括生物芯片在內的微分析系統的多功能器件集成創造更大的可行性。

本發明將金屬微納結構的制備與激光加工技術有機結合，其最大特點是激光光束可在聚焦位置通過雙光子或多光子吸收誘導金屬離子發生光還原反應從而產生金屬納米顆粒或團簇，再通過表面等離子體的作用輔助生長為亞波長間隔的垂直于基底的多級金屬納米片結構，通過控制激光焦點處能量密度、掃描步長和掃描方式等來控制金屬微納結構的尺寸、形貌和粗糙度，調節激光的偏振方向來調節金屬微納結構生長取向。利用軟件對襯底形狀進行擬合設計出精密的三維可控加工程序，利用自行搭建的激光加工系統控制激光光束沿著程序預先設計好的軌跡在基底表面掃描，而與基底的平整程度無關。

本發明是通過如下技術方案實現的：