[發明專利]金屬納米槽二維光柵傳感器芯片及其在生化測試中的應用

在審

• 申請號: 201810825565.1
• 申請日: 2018-07-25
• 公開（公告）號: CN109030423A
• 公開（公告）日: 2018-12-18
• 發明（設計）人: 郭宏;郭軍鵬
• 申請（專利權）人: 昆山復鍶科納米光學科技有限公司
• 主分類號: G01N21/552
• 分類號: G01N21/552
• 代理公司: 杭州浙科專利事務所(普通合伙) 33213
• 代理人: 吳秉中

本發明公開了一種基于金屬納米槽二維光柵的等離子生物光學傳感器芯片，和一個新的等離子生物光學測試方法。等離子納米生物芯片由硅片或玻璃片做襯底，金薄膜襯底，金薄膜表面上的納米槽結構組成。金薄膜采用離子濺射工藝成膜，納米槽結構采用電子束刻，紫外光刻，或納米壓印工藝及反應離子束蝕刻制造。與現有技術相比，本發明有如下特點：第一，此芯片的局域等離子共振可以通過斜入射來激發。第二，此芯片結構的表面等離子共振頻率可通過調整入射光角度以及入射光源的偏正態而變化。第三，此芯片的檢測敏感度比其它納米生物芯片較高，此結構在TM偏正態激發下，通過調節入射光角度，可以提高測量的敏感度。

技術領域

本發明屬于生物化學測試領域，具體是一種金屬納米槽二維光柵傳感器芯片及其在生物化學測試中的應用。

背景技術

高精度檢測生物分子之間的相互作用，包括蛋白質-蛋白質，藥物-蛋白質，蛋白質-核酸，核酸-核酸之間的相互作用，一直以來是生物生化學的前沿科學。在眾多研究以及檢測分子相互作用的技術中，其中表面等離子共振（Surface plasmon resonance, SPR）技術以其極高的靈敏度，準確性，待測樣品無需標定和實時監測性等特征尤其引人關注。表面等離子共振是一種光學效應，金屬表面的電子在入射光的特定激發條件下產生共振，這種共振稱為表面等離子共振。此共振的頻率對金屬表面臨近的介質折射率變化的影響極為敏感，因此利用這一特性，可以用來檢測金屬表面的生物分子，利用蛋白質結合時引起的表面折射率變化從而進行相關的免疫學分析。現有的表面等離子共振分析是基于貴金屬薄膜的光學全反射模式，通過調整單色激光光源的入射角度來激發金屬表面的表面等離子共振，同時使用一個光電探測器在另一側收集金屬表面反射回來的光線。通過高精度的調整入射光角度后，在反射光出能測試到一個最小反射光強，此角度說明入射光完全激發了表面等離子的共振。當此類芯片用于生物傳感時，待測生物分子通過微流控制器與金屬膜的表面形成結合。金屬表面附近的材料折射率由于生物分子之間的結合同時發生了變化，從而表面等離子共振頻率也隨之發生了變化。此時需要再次精確調整入射光的角度，來尋找新的反射強度最低點對應的角度位置。此方法涉及到需要精密的棱鏡，激光和角度調整設備，整體設備體積大，造價高，實驗環境受環境變化的影響大。與此同時，表面等離子共振技術也被廣泛應用于太陽能光能量吸收增強，生化樣品分析，以及光學表面增強拉曼檢測等領域。

除了金屬薄膜表面等離子共振外，另一種等離子共振來源于金屬納米結構中的等離子共振，也稱為局域表面等離子共振。在貴金屬薄膜的表面通過電子束刻，紫外光刻或者納米壓印制備后形成的納米結構，在入射光的激發下，形成了表面電子被束縛在納米結構中的共振，此共振稱為局域表面等離子共振（Localized surface plasmon resonance）。局域表面等離子共振的頻率與納米結構的大小，幾何形狀，材料，以及這些納米結構之間的周期性有很大的關系。局域表面等離子共振的波長可在可見光，近紅外光和遠紅外光范圍內調節。與金屬薄膜產生的表面等離子共振（Surface plasmon resonance）效應相比，此方法不依賴于特定的激發光源波長，入射角度和光源的偏振態。局域表面等離子共振可以使用寬帶光源從正入射激發，也可以從斜入射激發。可以通過收集從芯片中心的反射光，透射光，以及散射光來分析共振頻率。用于局域表面等離子共振的測試平臺降低了測試系統所需要的復雜光學元件和精密調整角度所用的機械元件，也方便了基于局域等離子共振技術的芯片的設計。

現代生物醫學的發展促進了高靈敏度的生物傳感器的研究和發展。近些年中，一些基于納米陣列結構的設計得到了廣泛的研究，包括納米孔陣列，納米圓盤陣列，納米塊陣列，有非常多的研究結果，其中區域表面等離子共振頻率受正入射偏正光影響的一維納米槽光柵在近年來也受到了廣泛的研究。而一維納米槽光柵在正入射偏正光下，等離子共振頻率和光學敏感度不可調整，固定的共振頻率和光學敏感度不足以適應目前生物監測對高靈敏度的需求。

發明內容