一種限域型表面等離子體共振傳感器、製備方法及其應用的製作方法

2023-05-07 12:06:56

一種限域型表面等離子體共振傳感器、製備方法及其應用的製作方法
【專利摘要】一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器、製備方法及其在對抗人免疫球蛋白免疫識別方面的應用，屬於材料科學領域。本方法涉及到掩模遮蔽技術、物理氣相沉積技術以及一些組裝和刻蝕方面的技術。整個過程操作簡便，過程低耗清潔，可控性高。通過控制刻蝕和金屬沉積的條件，可以製備不同尺寸納米間隙的納米火山-圓盤複合陣列。圓盤與火山內壁之間的間隙可以在共振激發下具有增強的電場強度，使傳感靈敏度得到很大的提升，而且可以將檢測過程限制在火山內部，製備成新型的限域傳感器，極大的減少了背景噪音，充分利用電場增強和節約了昂貴的檢測物質，使傳感過程更加高效和低成本。
【專利說明】一種限域型表面等離子體共振傳感器、製備方法及其應用

【技術領域】
[0001]本發明屬於材料科學領域，具體涉及一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器、製備方法及其在對抗人免疫球蛋白免疫識別方面的應用。

【背景技術】
[0002]等離子體材料，被定義為支持表面等離子體共振的金屬納米結構，已經成為應用最廣泛的化學傳感器之一。相對於傳統的化學傳感器，表面等離子體傳感器有一系列的優點，包括無需標記、可探測微小區域、可大規模多路復用、容易與微流體設備結合以及極高的靈敏度。所有這些優秀的性質催生了許多類型的基於等離子體共振的傳感器。
[0003]其中具有很小間隙的納米結構得到了極大的關注，因為其不僅可以在共振激發下產生很強的電場增強，很大的提高靈敏度，而且在光電捕捉和單分子檢測上具有巨大的應用前景。然而製備納米間隙需要很高的精準度，一些物理方法，例如電子束刻蝕和聚焦離子束刻蝕，成為了主要的製備方法。然而為了更好地轉化為實用器件，需要開發低成本而有效率的技術來製備所需的納米間隙。這正是本發明要解決的問題。而製備新的具有納米間隙的等離子體材料，探索新的結構和性質之間的關係並利用這些性質製備相應的器件一直以來都是本領域的核心問題。


【發明內容】

[0004]本發明的目的是提供一種步驟簡單、低耗、具有限域檢測作用的納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器及其製備方法，其步驟如下:
[0005]I)以1000?3000rpm的轉速將40?50wt%的正向光刻膠溶液旋塗到親水基底上，然後在80?120°C條件下固化0.5?I小時，從而在親水基底上得到200?600nm厚的光刻膠薄膜；
[0006]2)向I?5mL濃度為I?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入I?3mL的去離子水，在4000?1000rpm轉速下離心3?5分鐘，重複加入去離子水和離心過程4?7次；在最後離心得到的固態物中加入I?5mL體積比為1:1?3的乙醇和去離子水的混合液,在4000?1000rpm轉速下離心5?10分鐘，重複加入乙醇和去離子水及離心過程4?20次，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液；
[0007]3)用注射器吸取0.1?0.5mL上述製得的分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，然後再加入50?200 μ L、濃度為I?1wt^的十二烷基磺酸鈉表面活性劑，從而在基底上得到聚苯乙烯微球陣列；
[0008]4)將上述聚苯乙烯微球陣列在氣壓為5?lOmTorr、溫度為10?20°C、氧氣流速為10?50sccm、功率為100?200W的條件下沿基底法線方向刻蝕100?500秒；刻蝕之後得到圓臺狀的光刻膠陣列和在其上尺寸減小的聚苯乙烯微球；然後在5X 10_4?I X 1-3Pa的真空度下沿基底法線方向熱蒸發沉積金屬銀，沉積速度為0.5?2 A/s,從而在圓臺狀光刻膠陣列和尺寸減小的聚苯乙烯微球上得到厚度為50?10nm的金屬銀；
[0009]5)將上述樣品放置在甲苯溶液中超聲10?60秒，去除聚苯乙烯微球，後用氮氣吹乾；再放入到無水乙醇中浸泡2?3小時，使光刻膠溶解到乙醇中，達到除去光刻膠的目的，進而得到內部中空的、圓臺狀的納米火山型金屬銀陣列薄膜；
[0010]6)將上述納米火山型金屬銀陣列薄膜放入2?6mM巰基十六烷酸中10?14小時，然後將樣品在5X 10_4?IX 10_3Pa的真空度下再次沿基底法線方向熱蒸發沉積金屬銀，沉積速度為0.5?2 A/s,沉積厚度為20?10nm;由於薄膜陣列上下兩個圓臺的尺寸不相同，會使沉積在圓臺底部的金屬銀與圓臺內壁間具有一定的間隙，從而得到納米火山-圓盤複合陣列薄膜；陣列的周期為0.5?3μπι，納米火山的高度為200?600nm，火山結構上表面的直徑為200?600nm,火山結構下表面的直徑為300?700nm,圓盤的高度為20?10nm,圓盤的直徑為200?600nm，圓盤與火山內壁的間隙為20?50nm ;從而製備得到納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器。
[0011]將上述納米火山-圓盤複合陣列薄膜放入20?60 μ g/mL人免疫球蛋白的磷酸緩衝溶液(PBS，pH = 7.4)中浸泡I?3小時，取出後用PBS衝洗；然後將樣品放入100?300 μ g/mL牛血清蛋白的PBS溶液中浸泡20?50分鐘，取出後用PBS溶液衝洗乾淨；最後將樣品浸泡到10 μ g/mL的抗人免疫球蛋白的PBS溶液中20?50分鐘，通過檢測上述各步驟的透射光譜，從而實現對抗人免疫球蛋白的免疫識別。
[0012]其中，步驟(I)中基底為平整的玻璃片或石英片。
[0013]具體的，步驟(2)中的聚苯乙烯微球直徑的尺寸在0.5?3μπι。
[0014]本發明操作步驟簡便，過程低耗清潔，可控性高。按實施例6和例8中的蒸鍍條件可以得到納米間隙(圓盤邊緣與火山內壁之間的間隙)為20nm的納米火山-圓盤複合結構陣列，按實施例10中的蒸鍍條件可以獲得納米間隙為50nm的納米火山-圓盤複合結構陣列。納米間隙為20nm的納米火山-圓盤複合陣列薄膜的電場增強程度最強，可以最大限度的提高傳感靈敏度。進而我們利用第二次蒸鍍的銀可以覆蓋火山結構外壁接連物質的特點，可以做到只在火山內部接連需要檢測的物質，然後通過透射光譜的變化檢測接連的物質，從而達到限域檢測的目的。限域檢測可以極大的減小信號背景，充分利用電場增強和節省昂貴的檢測材料。利用該方法製備的納米火山-圓盤複合結構陣列的薄膜可以應用在傳感器中，具有高的靈敏度和限域檢測的性質，可以更好地運用到實際應用中。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為製備納米火山-圓盤複合陣列薄膜的流程圖；中間的示意圖為納米火山-圓盤複合結構的截面圖，從圖中表現出此種結構具有火山結構和圓盤結構。步驟A為各向異性的等離子體刻蝕，步驟B為垂直沉積金屬銀和除去光刻膠，步驟C為再次垂直沉積金屬銀。按照實施例5，6，8中的刻蝕和蒸鍍條件，製備的納米火山-圓盤複合陣列薄膜的結構參數為上孔直徑為d = 220nm,下孔直徑為D = 340nm,高度為H = 250nm,圓盤高度為h = 10nm,圓盤直徑為L = 240nm,納米間隙距離為s = 20nm。玻璃基底1、光刻膠薄膜2、聚苯乙烯微球3、火山型金屬銀納米陣列4，納米火山-圓盤複合陣列5。
[0016]圖2為納米火山-圓盤複合陣列的掃描電子顯微鏡(SEM)照片。以實施例5中的刻蝕工藝進行等離子體刻蝕，得到了此種形狀的納米火山-圓盤複合陣列。圖2(A)是傾斜45度拍攝的SEM照片。圖2(B)是俯視拍攝的SEM照片。圖2 (C)是納米火山陣列脫離基底，只留下圓盤結構的SEM照片。圖2(D)是納米火山-圓盤複合陣列的背面的SEM照片。圖中箭頭指示的是圓盤結構。
[0017]圖3為納米火山-圓盤複合陣列薄膜的限域檢測過程。圖3㈧為按實施例8中的步驟在納米火山型陣列接枝上巰基十六烷酸。圖3(B)為再次垂直沉積銀之後，形成納米火山-圓盤複合陣列薄膜，並在火山內壁接枝人免疫球蛋白，如實施例8所示。火山外壁上的巰基十六烷酸由於被銀覆蓋無法連接人免疫球蛋白。圖3(C)為按實施例9步驟浸泡到抗人免疫球蛋白溶液中進行檢測，抗人免疫球蛋白只能進入到火山內部被檢測到，達到限域檢測的目的。圖3(D)為納米火山-圓盤複合陣列薄膜浸泡到不同物質溶液之後的透射光譜。在人免疫球蛋白PBS溶液中浸泡後，透射峰發生了紅移，再在抗兔免疫球蛋白溶液中浸泡之後，透射峰的位置沒有變化，說明抗兔免疫球蛋白沒有接枝到納米火山-圓盤結構上，而在抗人免疫球蛋白溶液中浸泡後，透射峰又發生了紅移，說明了抗人免疫球蛋白接枝到了納米火山-圓盤結構之上。此結果證明在接枝人免疫球蛋白之後只可以特異性的檢測抗人免疫球蛋白，並不能接連上別的物質，證明了此檢測的特異性。

【具體實施方式】
[0018]下列實施例僅是本發明的較佳實施例而已，並非對本發明的技術方案作任何形式上的限制。
[0019]實施例1:親水玻璃片基底的製備
[0020]所用基底為玻璃片，用玻璃刀裁至2.5cm長、3.5cm寬大小，放入濃硫酸與過氧化氫的混合溶液(體積比為7:3)中水浴加熱至80°C，保持5小時，即得到親水玻璃片基底；將混合溶液倒入廢液瓶中，得到的親水玻璃片基底用去離子水反覆洗滌3?5次，並用氮氣吹乾。
[0021]實施例2:光刻膠薄膜的製備
[0022]將光刻膠(BP212-37，正向光刻膠，購於北京科華微電子材料有限公司)原液用1-甲氧基-2-丙醇乙酸酯(MPA)稀釋成質量分數為30wt%的稀釋液，利用臺式勻膠機在親水玻璃片基底上以3000rpm的轉速旋塗30秒，然後將其放置在100°C的烘箱中0.5小時，取出放置到室溫，在基底上得到200nm厚的光刻膠薄膜。
[0023]實施例3:疏水聚苯乙烯微球的製備
[0024]在常溫下，在lmL、5wt%、直徑為700nm的聚苯乙烯微球水分散液中加入3mL去離子水，用6000rpm轉速離心5分鐘，吸取上層清液，在遺留下的固態物中再加入3mL去離子水並再次進行離心；此後重複此過程7次。在最後一次吸取上層清液之後，在固態物中加入ImL的乙醇和ImL去離子水，用6000rpm轉速離心5分鐘，吸取上層清液，然後在遺留的固態物中再加入相同的乙醇和去離子水的混合液並用相同的方法離心；此後重複此離心過程16次，在最後一次吸取上層清液後，在固態物中最後加入ImL乙醇和ImL去離子水，得到疏水的1wt %聚苯乙烯微球乙醇和去離子水的分散液。
[0025]實施例4:六方緊密堆積的單層聚苯乙烯膠體晶體的製備
[0026]用一次性注射器吸取0.2mL實施例3製備的直徑為700nm的疏水聚苯乙烯微球的乙醇去離子水分散液，緩慢滴到培養皿的空氣-去離子水的界面上，靜置片刻，沿著培養皿一側加入50 μ L濃度為1wt^的十二烷基硫酸鈉的水溶液，聚苯乙烯微球會隨之形成六方緊密堆積的單層。以旋塗有光刻膠的玻璃片為基底，伸入到水面以下，從緊密的單層微球下方緩慢向上提起，置於斜面自然乾燥，從而在玻璃片上得到單層緊密堆積的聚苯乙烯膠體晶體。
[0027]實施例5:光刻膠的納米火山型陣列的製備
[0028]將上述製備的樣品放置在各向異性等離子體刻蝕機中，在刻蝕氣壓為lOmTorr，刻蝕溫度20°C，氧氣流速50SCCm，刻蝕功率為200W的條件下，刻蝕270秒。在這個過程中，微球與其下部的光刻膠同時被刻蝕，微球逐漸變小，光刻膠薄膜被刻蝕成納米火山型的陣列。
[0029]實施例6:金屬銀的蒸鍍方法
[0030]將實施例5製得的樣品置於真空蒸發鍍膜設備的樣品臺上，樣品法線與沉積方向的夾角(即入射角)為0°，在5X KT4Pa的真空度下進行熱蒸發沉積銀，沉積速度為I A/s,沉積厚度為50nm ；
[0031]實施例7:納米火山型陣列薄膜的製備
[0032]將上述製得的樣品放入甲苯溶液中在超聲功率為50W的條件下超聲10秒。取出後用氮氣吹乾。然後放入無水乙醇中浸泡3小時，取出洗淨，得到納米火山型陣列薄膜。
[0033]實施例8:納米火山-圓盤複合陣列薄膜的製備
[0034]將製得的納米火山型陣列放入4mM巰基十六烷酸中12小時，然後將樣品放在5 X 10_4的真空度下再次垂直熱蒸發沉積金屬銀，沉積速度為I A/s,沉積厚度為lOOnm。得到火山內壁和圓盤之間間隙為20nm的納米火山-圓盤複合陣列薄膜。
[0035]實施例9:限域檢測的方法
[0036]將此樣品放入50 μ g/mL人免疫球蛋白的磷酸緩衝溶液(PBS，pH = 7.4)中浸泡2小時。取出後用PBS衝洗。然後將樣品放入200 μ g/mL牛血清蛋白的PBS溶液中浸泡30分鐘。取出後用PBS溶液衝洗乾淨。最後將樣品浸泡到10 μ g/mL的抗人免疫球蛋白的PBS溶液中30分鐘進行免疫識別。通過檢測上述各步驟的透射光譜，從而實現對抗人免疫球蛋白的免疫識別。
[0037]由於製備的銀納米火山-圓盤結構具有表面等離子體共振的特性，當此結構所處的環境折射率變化時會弓I起透射峰的移動。在此檢測中，先在表面接連上人免疫球蛋白，可以特異性的連接抗人免疫球蛋白，所以溶液中如果存在抗人免疫球蛋白，便可以接連到結構表面，弓I起折射率的變化，弓I起透射峰的移動，便可以檢測到抗人免疫球蛋白。如果溶液中不存在抗人免疫球蛋白，則表面不能接枝別的物質，折射率不發生變化，則透射峰不會移動。而且此檢測過程只發生在火山狀結構的內部，達到限域檢測的目的，可以極大的減小背景噪音，充分利用電場增強效果和節省試劑。
[0038]實施例10:納米間隙為50nm的納米火山-圓盤複合陣列薄膜的製備
[0039]如實施例6中的步驟在第一次蒸鍍的時候蒸鍍130nm Ag，如實施例8過程中的再次蒸鍍時蒸鍍20nm Ag便可以製備納米間隙為50nm的納米火山-圓盤複合陣列薄膜。
【權利要求】
1.一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器的製備方法，其步驟如下: 1)以1000?3000rpm的轉速將40?50wt%的正向光刻膠溶液旋塗到親水基底上，然後在80?120°C條件下固化0.5?I小時，從而在親水基底上得到200?600nm厚的光刻膠薄膜； 2)向I?5mL濃度為I?20wt%的聚苯乙烯微球的去離子水分散液中加入I?3mL的去離子水,在4000?1000rpm轉速下離心3?5分鐘，重複加入去離子水和離心過程4?7次；在最後離心得到的固態物中加入I?5mL體積比為1:1?3的乙醇和去離子水的混合液,在4000?1000rpm轉速下離心5?10分鐘，重複加入乙醇和去離子水及離心過程4?20次，得到疏水聚苯乙烯微球的乙醇和去離子水分散液； 3)用注射器吸取0.1?0.5mL上述製得的分散液，滴加到盛有去離子水的容器中，然後再加入50?200 μ L、濃度為I?1wt^的十二烷基磺酸鈉表面活性劑，從而在基底上得到聚苯乙烯微球陣列； 4)將上述聚苯乙烯微球陣列在氣壓為5?lOmTorr、溫度為10?20°C、氧氣流速為10?50sccm、功率為100?200W的條件下沿基底法線方向刻蝕100?500秒；刻蝕之後得到圓臺狀的光刻膠陣列和在其上尺寸減小的聚苯乙烯微球；然後在5X 10_4?IX 10_3Pa的真空度下沿基底法線方向熱蒸發沉積金屬銀，沉積速度為0.5?2 A/s,從而在圓臺狀光刻膠陣列和尺寸減小的聚苯乙烯微球上得到厚度為50?10nm的金屬銀； 5)將上述樣品放置在甲苯溶液中超聲10?60秒，去除聚苯乙烯微球，後用氮氣吹乾；再放入到無水乙醇中浸泡2?3小時，使光刻膠溶解到乙醇中，達到除去光刻膠的目的，進而得到內部中空的、圓臺狀的納米火山型金屬銀陣列薄膜； 6)將上述納米火山型金屬銀陣列薄膜放入2?6mM巰基十六烷酸中10?14小時，然後將樣品在5X10_4?lX10_3Pa的真空度下再次沿基底法線方向熱蒸發沉積金屬銀，沉積速度為0.5~2 A/s,沉積厚度為20?10nm ;由於薄膜陣列上下兩個圓臺的尺寸不相同，會使沉積在圓臺底部的金屬銀與圓臺內壁間具有一定的間隙，從而得到納米火山-圓盤複合陣列薄膜；陣列的周期為0.5?3μπι，納米火山的高度為200?600nm，火山結構上表面的直徑為200?600nm,火山結構下表面的直徑為300?700nm,圓盤的高度為20?10nm,圓盤的直徑為200?600nm，圓盤與火山內壁的間隙為20?50nm ;從而製備得到納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器。
2.如權利要求1所述的一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器的製備方法，其特徵在於:步驟(I)中所述的親水基底為平整的玻璃片或石英片。
3.如權利要求1所述的一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器的製備方法，其特徵在於:步驟(2)中所述的聚苯乙烯微球直徑的尺寸在0.5?3 μ m0
4.一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器，其特徵在於:由權利要求1-3任何一項所述的方法製備得到。
5.權利要求4所述的一種納米火山-圓盤複合陣列薄膜結構的限域型表面等離子體共振傳感器在對抗人免疫球蛋白免疫識別方面的應用。
【文檔編號】G01N21/552GK104198441SQ201410456457
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月9日 優先權日:2014年9月9日
【發明者】張剛, 艾斌, 王立敏 申請人:吉林大學