[發(fā)明專利]一種SPR傳感芯片及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201510070207.0
• 申請(qǐng)日: 2015-02-11
• 公開（公告）號(hào): CN104634763B
• 公開（公告）日: 2018-01-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 王曉萍;董偉;龐凱
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 浙江大學(xué)
• 主分類號(hào): G01N21/552
• 分類號(hào): G01N21/552
• 代理公司: 杭州天勤知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司33224
• 代理人: 蔣瓊

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)生物傳感領(lǐng)域，具體涉及一種SPR傳感芯片及其制備方法。

背景技術(shù)

表面等離子共振(SPR)是一種物理光學(xué)現(xiàn)象。在兩種不同折射率(refractive index)的透明介質(zhì)交界面上(如玻璃和水)，當(dāng)一束光線從高折射率介質(zhì)入射到低折射率介質(zhì)，光線將發(fā)生折射和反射。當(dāng)入射角增大到某一特定值時(shí)，折射角等于90°，此時(shí)光沿著與界面相切的方向射出，此時(shí)的入射角稱為臨界角。如果入射角超過臨界角，則入射光線將不會(huì)進(jìn)入另一介質(zhì)，而全部被反射回入射介質(zhì)中，發(fā)生全內(nèi)反射。

實(shí)際上，盡管全部入射光被反射，一種叫漸逝波(evanescent wave)的電磁場會(huì)穿過界面滲透到低折射率介質(zhì)中，能量呈指數(shù)衰減。若在界面處鍍上一層金屬薄膜(一般鍍金膜或銀膜)，則金屬薄膜表面的自由電子受入射光激發(fā)而產(chǎn)生電荷振蕩，進(jìn)而形成表面等離子體(SP)。調(diào)整光的入射角或波長到某一適當(dāng)值時(shí)，SP與漸逝波的頻率和波數(shù)相等，二者便發(fā)生能量耦合，形成表面等離子共振。共振時(shí)界面處的全反射條件將被破壞，入射光能量被轉(zhuǎn)移到表面等離子體波(Surface plasmon Wave，SPW)中，從而導(dǎo)致反射光強(qiáng)度在傳播中急劇下降，呈現(xiàn)衰減全反射(attenuated total reflection，ATR)現(xiàn)象。其中使反射光完全消失的入射光角度稱為共振角(SPR angle)。共振角會(huì)隨著金屬薄膜表面的介質(zhì)折射率的改變而改變，而折射率的變化與結(jié)合在金屬表面的分子的質(zhì)量成正比。因此通過分析共振角，就可以得到分子間相互作用的信息。

SPR傳感技術(shù)具有無需標(biāo)記、對(duì)表面特性和物質(zhì)變化敏感，實(shí)時(shí)、快速和易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化等特點(diǎn)。該技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于生命科學(xué)，臨床診斷，藥物篩選，食品安全，環(huán)境監(jiān)測等領(lǐng)域，檢測對(duì)象包括蛋白、核酸、激素、毒素、農(nóng)藥、細(xì)胞、微生物等。

隨著社會(huì)上對(duì)于大規(guī)模快速檢測技術(shù)的需求的增長，高通量的SPR傳感技術(shù)已成為SPR技術(shù)的一個(gè)主要發(fā)展方向。其中SPR成像傳感技術(shù)(也可稱為SPRi)是研究最廣、最具有代表性的一類。其基本工作過程為：光源發(fā)出的平行光入射到具有傳感點(diǎn)陣列的SPR芯片表面，傳感點(diǎn)陣列通過光學(xué)系統(tǒng)成像于圖像傳感器靶面，同時(shí)芯片表面反射的光也被圖像傳感器接收。

SPR傳感芯片是SPR成像傳感器的核心組件，其主要包括平面玻璃基板、金屬膜和表面基質(zhì)三部分。SPR傳感芯片提供了產(chǎn)生SPR信號(hào)的必需物理?xiàng)l件，并且分子相互作用的研究也是在SPR傳感芯片表面進(jìn)行的。

根據(jù)檢測的光信號(hào)不同，SPR成像傳感器通常可分為光強(qiáng)調(diào)制型和相位調(diào)制型。相比于相位調(diào)制所需要的復(fù)雜系統(tǒng)，光強(qiáng)調(diào)制型SPR成像傳感器結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，動(dòng)態(tài)范圍大，得到了比較廣泛的應(yīng)用；但目前存在的問題是其分辨率在10^-5～10^-6RIU之間，靈敏度普遍低于通道型SPR傳感器以及相位調(diào)制型SPR成像傳感器。主要原因是其SPR傳感芯片普遍采用平板金屬膜，即在平面玻璃基板上直接鍍上一層金屬膜，其傳感靈敏度較低。如何提高光強(qiáng)調(diào)制型SPR成像傳感器的靈敏度成為了當(dāng)前的研究熱點(diǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提供了一種SPR傳感芯片，該SPR傳感芯片性能穩(wěn)定、重復(fù)性好、靈敏度高，易于實(shí)現(xiàn)高通量檢測。

一種SPR傳感芯片，包括平面玻璃基板，所述平面玻璃基板上覆蓋有厚度大于150nm的第一金屬膜，所述第一金屬膜的頂面設(shè)有微孔陣列，每一微孔的底部均覆蓋有第二金屬膜，所述第二金屬膜的頂面設(shè)有周期排列的若干納米金屬線。

如未作特殊說明，本發(fā)明中“周期排列”均是指相鄰的納米金屬線以一定的間隔平行排列；每根納米金屬線的兩端均抵接微孔的內(nèi)壁。

本發(fā)明利用第一金屬膜在SPR傳感芯片上形成微孔陣列，當(dāng)入射光從平面玻璃基板的底部照射到平面玻璃基板與金屬膜(包括第一金屬膜和第二金屬膜)的界面時(shí)，在金屬膜上產(chǎn)生SPR現(xiàn)象。其中在第二金屬膜上產(chǎn)生的SPR，一方面耦合到周期排列的納米金屬線中產(chǎn)生局域表面等離子體共振(LSPR)，LSPR具有較強(qiáng)的局域電磁場增強(qiáng)效應(yīng)，能夠有效提高SPR傳感的靈敏度；另一方面在微孔底部產(chǎn)生表面等離子體波(SPW)，SPW在水平傳播過程中會(huì)受到微孔內(nèi)壁的反射，從而與前向傳播的SPW干涉形成駐波而被束縛在微孔內(nèi)部，駐波的電磁場也有一定程度的增強(qiáng)，電磁場增強(qiáng)可進(jìn)一步提高SPR傳感的靈敏度。