專利名稱：一種雙探測生化傳感檢測儀的傳感芯片及其制備方法
技術領域：
本發明屬于生化傳感檢測領域，涉及一種集成微流控光學的表面增強拉曼光譜---局域表面等離子體共振雙探測生化傳感檢測儀的傳感芯片及其制備方法。
背景技術：
大量研究表明金屬納米粒子的光學特性是局域表面等離子體共振LSPR頻率與金屬納米顆粒的組成成分、間距、大小、形狀和局域介電環境有著密切相關的聯系。所以，基于局域表面等離子體傳感芯片作為一種有發展潛力的光譜分析技術，在物理、化學、醫學、環境監測、公共安全等各個方面都得到廣泛應用。金屬納米結構的形貌、尺寸、間距變化對LSPR光學屬和表面增強拉曼散射SERS增強效應都有影響。在LSPR傳感測試和SERS測試中，每一個貴重金屬納米結構可以與分析物結構進行特異的傳感檢測或識別，這一特點使 其可以小型化，多參數傳感。特別是在探測單分子與金屬納米顆粒表面結合的過程中，LSPR光譜的變化和SERS的“指紋”譜是重要的手段。單分子與金屬表面結合時，LSPR光譜變化分析是可操控的；而此時，SERS可探測識別分子并獲取金屬表面吸附分子的取向。同一納米等離子體結構的芯片同時采用LSPR和SERS的光學檢測手段，并與微流控技術相結合形成了新型的微流控光學傳感芯片，這一技術為擴展了標準LSPR或SERS的應用，這種基于“雙”等離子體結構的傳感芯片在基于液體樣品的生化檢測中有很大吸引力，將會加快微流控光學傳感芯片的研發與應用。然而，金屬納米結構基底的制備是獲得SERS增強信號和LSPR傳感信號的前提，為了將SERS和LSPR作為一種常規、在線的分析工具，所制備的金屬綱米結構應具有增強能力強且均一性好、易于制備和存儲、使用方便等特點。同時，將微流體與金屬納米結構傳感單元集成于一體，可以實現所需樣品少，實時觀測，多通道、多參數并行測試、原位SERS和LSPR的測試。當前，金屬納米結構加工方法主要有以下幾種電子束光刻(EBL)、聚焦離子束(FIB)、納米球光刻(NSL)、化學合成、納米壓印、化學自組裝、LB膜組裝技術、有序模板沉積法等。電子束光刻和聚焦離子束雖然具有高分辨率、重復性高等優點，但其加工成本高、耗時，不容易大面制備。美國西北大學Van Duyne等人利用納米球光刻制備了不同結構周期的金屬納米結構陣列，并利用此金屬納米結構陣列開展了大量的局域表面等離子體共振LSPR傳感和表面增強拉曼光譜SERS探測研究。實驗證明納米球光刻具有低成本、高產出、重復性高等優點，但重復性差。化學自組裝法使得納米粒子在固體基片表面排列，形成SERS活性基底。這類基底上納米粒子之間的問距比較大，因此基底的SERS效果比較有限，可控性差。納米壓印方法是一種很好的方法，雖有一些報道，但都在加工金屬納米結構，而沒有將微流控技術引入。可見，現有技術中的金屬納米結構還不能滿足這些需要，急需一種新型的金屬納米結構。

發明內容
為了解決傳統單一測試技術LSPR或SERS技術中的不足，利用局域表面等離子體共振LSRP技術、微流控技術和微納米加工技術，實現高靈敏度、免標記的納米陣列生化檢測儀，本發明提出一種新型的金屬納米結構一雙探測生化傳感檢測儀的傳感芯片。本發明的一個目的在于提供一種雙探測生化傳感檢測儀的傳感芯片。本發明的傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單元，傳感芯片單元包括襯底以及與其鍵合在一起的上片；形成在上片內構成微流通道的進口、出口及微腔；形成在襯底上并處于微腔內的m*n陣列的納米顆粒；其中，m、n、K和L為自然數。傳感芯片單元的尺寸范圍在幾十微米到幾微米之間。納米顆粒的尺寸范圍在幾十納米到幾百納米之間，納米顆粒之間的間距范圍在幾十納米到幾百納米之間。納米顆粒為金或銀等貴重金屬顆粒，形狀為球形、橢球形、納米縫以及納米孔中的
一種。襯底的材料為K9玻璃、石英玻璃、聚二甲硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS等透明材料中的一種。上片的材料為聚二甲硅氧烷PDMS或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA0微腔的體積范圍在幾微升到幾十微升之間，其形狀可以是球形或立方形。微流通道的寬度范圍在10微米到200微米之間，深度范圍在50微米到200微米之間。本發明的另一個目的是提供一種傳感芯片單元的制備方法。本發明的一種傳感芯片單元的制備方法包括以下步驟I)提供透明的襯底；2)在襯底上形成m*n陣列的納米顆粒，m和η為自然數；3)用光刻方法加工上片，在其內形成由進口、出口及微腔構成的微流通道；4)將上片和襯底鍵合在一起，形成傳感器芯片單元。K*L陳列的傳感芯片單元構成傳感芯片。其中，在步驟2)中，通過電子束光刻、納米壓印、化學合成、電子束蒸發、干涉光刻、納米掩膜等方法形成納米顆粒。本發明的傳感器芯片應用在雙探測生化傳感檢測儀，可實現在同一基底上實現LSPR與SERS分析技術的組合。本發明的雙探測生化傳感檢測儀包括光源系統、光路整形系統、傳感芯片、三維控制系統、表面增強拉曼SERS探測系統、局域表面等離子體共振LSPR探測系統；以及自動進樣控制系統；其中，傳感芯片安裝在三維控制系統上；自動進樣控制系統向傳感芯片注射樣品；由光源系統提供激光或白光光源；經光路整形系統垂直入射到傳感芯片；經傳感芯片反射的激光進入SERS探測系統，并進行相應的SERS數據處理與分析；從傳感芯片投射的白光進入LSPR探測系統，并進行相應的LSPR數據處理與分析。本發明的傳感器芯片可與自動進樣控制系統相連接，通過自動進樣控制系統向傳感芯片注射樣品。自動進樣控制系統包括兩路以上注射泵，可以程序化設置參數，從而實現對樣品進行精確控制。本發明的傳感芯片同時采用LSPR和SERS兩種光學檢測手段，并與微流控技術相結合形成了新型的微流控光學傳感芯片，這一技術為擴展了傳統LSPR或SERS的應用，這種基于雙等離子體結構的傳感芯片在基于液體樣品的生化檢測中有很大吸引力，將會加快微流控光學傳感系統的研發與應用。利用LSPR和SERS兩種互補模式檢測樣品，在同一基底上實現LSPR與SERS分析技術的組合。本發明的優點
本發明的傳感芯片為多單元、陣列結構，與微流控技術相結合，實現微流控光學傳感系統的集成。本傳感芯片采用低成本的納米加工技術，可實現大面積加工；并且可重復性好、制備方法簡單，可以實現所需樣品少，實時觀測，多通道、多參數并行測試、原位SERS和LSPR的測試。


圖I為本發明的傳感芯片的結構示意圖；圖2 (a)至(e)為根據本發明的制備方法制備襯底的一個實施例的流程圖；圖3 (a)至(e)為根據本發明的制備方法制備上片的一個實施例的流程圖；
圖4為本發明的傳感芯片應用在雙探測生化傳感檢測儀的結構示意圖；圖5為本發明的實施例中采用納米壓印加工出的納米顆粒的結構圖；圖6為本發明的實施例中采用的SU-8膠結構的微流通道的模具的結構圖。
具體實施例方式下面結合附圖，對本發明的具體實施方式
作進一步的詳細描述。如圖I所示,本發明的傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單元,傳感芯片單元包括襯底31以及與其鍵合在一起的上片32 ;形成在上片32內構成微流通道的進口、出口 33及微腔34 ;形成在襯底上并處于微腔內的m*n陣列的納米顆粒35 ;其中，m、η、K和L為自然數。如圖4所示，本發明的雙探測生化傳感檢測儀包括光源系統I、光路整形系統2、傳感芯片3、三維控制系統4、表面增強拉曼SERS探測系統5、局域表面等離子體共振LSPR探測系統6 ;以及自動進樣控制系統7 ;其中，傳感芯片3安裝在三維控制系統4上；自動進樣控制系統7向傳感芯片3注射樣品；由光源系統I提供激光或白光光源；經光路整形系統2垂直入射到傳感芯片3 ;經傳感芯片3反射的激光進入SERS探測系統5，并進行相應的SERS數據處理與分析；從傳感芯片3透射的白光進入LSPR探測系統6，并進行相應的LSPR數據處理與分析。傳感芯片的傳感芯片單元的制備方法的流程圖分別如圖2和圖3所示，傳感芯片單元包括微流通道、納米顆粒35、襯底31以及與其鍵合在一起的上片32。利用微納米加工技術在不同襯底上加工納米顆粒，再利用軟光刻技術在上片內加工出微流通道，最后將襯底與上片集成于一體，形成傳感芯片單元。下面通過一個實施例，具體說明本發明的實施。采用納米壓印的方法制備傳感芯片單元的方法包括以下步驟I)提供石英片作為透明的襯31底；2)在襯底上形成m*n陣列的納米顆粒35 a)將石英片31處理干凈后，旋涂納米壓印膠02，在熱板上120攝氏度下烘60秒，如圖2 (a)所示；b)聚二甲硅氧烷PDMS納米壓印模版03壓印，并曝光、固化，如圖2 (b)所示；c)剝離壓印模版03，去底模，如圖2 (C)所示；d)濺射貴重金屬，如圖2 (d)所示；
e)去膠,形成m*n陣列的納米顆粒35,如圖2 (e)所示，m和η為自然數；3)用光刻方法加工上片，在其內形成由進口、出口及微腔構成的微流通道a)在硅05的上表面旋涂80微米厚的SU_8膠06，經過前在硅片正面甩上SU_8膠、平坦化、前烘，如圖3 (a)所示；b)光刻、后烘、顯影、堅膜，形成SU-8膠結構的微流通道的模具，如圖3 (b)所示；c)在SU-8膠結構的微流通道的模具表面涂上脫模劑；將PDMS與其固化劑按10 I的比例混合，并充分攪拌，用真空泵去除PDMS中的氣泡，將無氣泡的PDMS 07均澆在SU-8膠結構的微流通道的模具上，并靜置平坦化，然后在80度烘箱中烘烤30分鐘到I小時，如圖3 (c)所示； d)將固化的PDMS剝離硅結構模具，并切成與傳感芯片的襯底的大小相同，并在相應的微流通道的微腔34上打孔形成進口和出口 33，如圖3 Cd)所示；4)將上片和襯底鍵合在一起，形成傳感器芯片單元，如圖3 (e)所示。圖5為本實施例中采用納米壓印加工出的納米顆粒的結構圖；圖6為本實施例中采用的SU-8膠結構的微流通道的模具的結構圖。最后需要注意的是，公布實施方式的目的在于幫助進一步理解本發明，但是本領域的技術人員可以理解在不脫離本發明及所附的權利要求的精神和范圍內，各種替換和修改都是可能的。因此，本發明不應局限于實施例所公開的內容，本發明要求保護的范圍以權利要求書界定的范圍為準。
權利要求
1.一種傳感芯片，其特征在于，所述傳感芯片包括K*L陳列的傳感芯片單兀，傳感芯片單元包括襯底(31)以及與其鍵合在一起的上片(32);形成在上片(32)內構成微流通道的進口、出口(33)及微腔(34);形成在襯底上并處于微腔內的m*n陣列的納米顆粒(35);其中，m、n、K和L為自然數。
2.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述傳感芯片單元的尺寸范圍在幾十微米到幾微米之間。
3.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述納米顆粒的尺寸范圍在幾十納米至IJ幾百納米之間，納米顆粒之間的間距范圍在幾十納米到幾百納米之間。
4.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述納米顆粒為金或銀等貴重金屬顆粒，形狀為球形、橢球形、納米狹縫以及納米孔中的一種。
5.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述襯底的材料為K9玻璃、石英玻璃、聚二甲硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS等透明材料中的一種。
6.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述上片的材料為聚二甲硅氧烷PDMS或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA。
7.如權利要求I所述的傳感芯片，其特征在于，所述微腔的體積范圍在幾微升到幾十微升之間，其形狀可以是球形或立方形。
8.如權利要求7所述的傳感芯片，其特征在于，在所述微流通道的寬度范圍在10微米到200微米之間，深度范圍在50微米到200微米之間。
9.一種傳感芯片單元的制備方法，其特征在于，所述傳感芯片單元的制備方法包括以下步驟 1)提供透明的襯底； 2)在襯底上形成m*n陣列的納米顆粒，m和n為自然數； 3 )用光刻方法加工上片，在其內形成由進口、出口及微腔構成的微流通道； 4)將上片和襯底鍵合在一起，形成傳感器芯片單元。
10.如權利要求9所述的制備方法，其特征在于，在步驟2)中，通過電子束光刻、納米壓印、化學合成、電子束蒸發、干涉光刻、納米掩膜等方法形成納米顆粒。
全文摘要
本發明公開了一種雙探測生化傳感檢測儀的傳感芯片及其制備方法。本發明的包括K*L陳列的傳感芯片單元，傳感芯片單元包括襯底以及與其鍵合在一起的上片；形成在上片內構成微流通道的進口、出口及微腔；形成在襯底上并處于微腔內的m*n陣列的納米顆粒；其中，m、n、K和L為自然數。本發明的傳感芯片為多單元、陣列結構，與微流控技術相結合，實現微流控光學傳感系統的集成。本傳感芯片采用低成本的納米加工技術，可實現大面積加工；并且可重復性好、制備方法簡單，可以實現所需樣品少，實時觀測，多通道、多參數并行測試、原位SERS和LSPR的測試。
文檔編號B81C1/00GK102706835SQ20121015219
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月14日 優先權日2012年5月14日
發明者耿照新 申請人:中央民族大學