專利名稱：一種兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器及其用途的制作方法
技術領域：
本發明屬于傳感器領域，具體地說是涉及一種融會了光的法布里-珀羅干涉效應和納米結構金薄膜的表面等離子振蕩效應的生物或化學分子的傳感器，能夠實現金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測。
背景技術：
近幾十年來，隨著生命科學的發展，對生物分子、化學分子等進行快速、靈敏檢測分析的各種生物傳感器得到了很大發展。
如在文獻1Kalyuzhny G.，et al，J.Am.Chem.Soc.123，3177(2001)中所述，貴金屬金的納米顆粒材料和薄膜材料因其優異的物理化學特性被應用到生物檢測領域中，利用熱蒸發的方法得到2.5nm厚島狀的金薄膜可以作為生物傳感器。如文獻2Haes A.J.，et al，J.Am.Chem.Soc.127，226(2005)中所述，利用納米球模板技術制作的銀納米顆粒陣列式薄膜作為生物傳感器。上述方法得到的生物傳感器都是利用貴金屬的表面等離子振蕩對周圍介質的有敏感響應的特點，通過觀測等離子振蕩的變化來識別生物分子的吸附過程。這種生物傳感器存在靈敏度不夠高的缺點。
在文獻3Lin V.S.-Y.，et al，Science 278，840(1997)中公開了一種生物傳感器件，使用了納米結構的多孔硅，利用光線在多孔硅上下表面的反射光產生法布里-珀羅干涉效應，觀測光發射光譜的變化來識別生物分子的。這種方法制作的生物傳感器雖然靈敏度得到了提高，但是制作多孔硅的工藝比較繁瑣，而且這種生物傳感器使用不方便，需要的樣品量大，更為重要的一點是該傳感器只能測量反射光，使得其應用范圍有局限性。
發明內容
本發明的目的在于克服現有技術的生物傳感器或是靈敏度不夠高，或是制作工藝繁瑣、檢測時樣品量大等缺陷，從而提供一種整合兩種物理效應來實現對化學和生物分子的高靈敏度的方便快捷檢測的傳感器，及其用途。
本發明的目的是通過如下的技術方案實現的本發明提供一種兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，如圖1所示，其包括一拋光平整的基底1，依次沉積在其上的第一金屬薄膜層2、透明介質層3和第二金屬薄膜層4；所述的基底1為在生物化學處理的過程中能夠保持穩定性，不會被溶解、腐蝕掉，能夠經受弱酸、弱堿的常規基底，優選玻璃、熔融石英、硅片等；所述的第一金屬薄膜層2是由光學半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的光學半透明的金屬包括金、銀、鋁等反射性較好的金屬；所述的透明介質層3是由透明的固態介質組成的膜層，厚度在亞微米到數百微米級；所述的固態介質為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩定、能夠經受弱酸、堿處理的介質，優選二氧化硅、鈦酸鋇和高分子聚合物等在可見光到近紅外光譜范圍透明的介質；該膜層做為法布里一珀羅干涉腔體；第二金屬薄膜層4是一具有納米結構的金的薄膜層，其厚度為3～100nm；該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。
本發明提供的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器的制備方法包括如下的步驟1)選擇一合適的基底1并進行預處理；依據所采用的光學測量方式，透射式或者反射式，來決定選擇透明或者不透明的基底如采用吸收光譜儀的透射方式，選用雙面拋光的熔融石英或玻璃作為基底，并用3∶1配比的濃硫酸雙氧水溶液處理基片，然后用高純凈水，酒精和丙酮超聲清洗基片；如采用吸收光譜儀的反射方式，其對基片的透明性沒有要求，既可以選用透明的基片，也可以選用不透明的基片，例如硅基片；2)把步驟1)中清洗干凈的基底1放置于常規的薄膜沉積設備的樣品臺上，以高純度的光學半透明的金屬為源，在基底上沉積厚度為10～1000nm、連續平整光滑的第一金屬膜層2，該膜層呈光學半透明或者高反射的表面；所述的光學半透明的金屬包括金、銀、鋁等反射性較好的金屬；3)在步驟2)沉積的第一金屬膜層2上，利用常規的薄膜沉積技術沉積厚度在亞微米到數百微米級的透明的固態介質薄膜層3，該膜層作為法布里一珀羅干涉薄膜的固定式腔體；
所述的固態介質為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩定、能夠經受弱酸、堿處理的介質，優選二氧化硅、鈦酸鋇和高分子聚合物等在可見光到近紅外光譜范圍透明的介質；4)最后在步驟3)沉積的透明介質層3上，在沉積溫度100～700℃，沉積速率0.01～0.1nm/s的條件下，沉積厚度為3～100nm、具有納米結構的金的薄膜層4；該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。
本發明提供的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器可以對生物分子或化學分子等進行快速、靈敏的檢測分析。使用時，將其置于待測樣品中，利用吸收光譜儀或者光反射方式來檢測待測樣品的生物分子或化學分子產生的信號，從而實現對生物分子或化學分子的高靈敏度的檢測。
與現有技術相比，本發明融會了光的法布里-珀羅干涉效應和納米結構金薄膜的表面等離子振蕩效應，本發明提供的傳感器能夠實現金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測，其優點在于1、該生物傳感器的制作工藝簡單，所需設備都是很常用的商業設備。
2、該生物傳感器的檢測靈敏度很高，能夠對吸附在樣品表面的生物分子達到亞單層量級的檢測，可以檢測微量樣品。
3、該生物傳感器的檢測方法簡單，靈活，利用常見的普通的光吸收光譜儀即可以實現，而且可以根據需要采用透射方式或者反射方式來實現檢測。
4、該生物傳感器是平面結構的，這樣可以實現平面內多點的陣列模式，提高檢測通量和效率，實現點陣式的生物傳感芯片。
圖1是本發明的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器的結構示意圖；其中，1基底，2金屬薄膜層，3透明介質層，4第二金屬薄膜層；圖2是本發明實施例1制備的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器的透射光譜圖；其中，曲線1～4分別表示沒有經過正己硫醇溶液處理，和經過正己硫醇溶液處理60秒鐘、10分鐘和4小時的結果。
具體實施例方式
實施例1、制備本發明的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器1.采用透射光方式利用吸收光譜儀檢測信號，選擇用透明的雙面拋光的非常平整光滑的5×10×0.5mm3熔融石英作為基底1。用重量比為3∶1配比的濃硫酸、雙氧水溶液在80℃處理30分鐘，然后用高純凈水沖洗基片，最后分別用酒精和丙酮超聲清洗15分鐘。
2.把在1步驟清洗干凈的基底放置于脈沖激光薄膜沉積設備的樣品臺上，以99.99％的高純度的銀作為靶材料，激光單脈沖能量為230mJ，重復頻率為1Hz，基底溫度為室溫，設備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續的，平整光滑的，厚度為80nm的銀薄膜層2，此薄膜層呈現光學半透明性。
3.在2步驟沉積的銀薄膜層2上利用激光脈沖薄膜沉積設備，在其上面沉積透明的固態鈦酸鋇介質薄膜層3，以鈦酸鋇塊材料作為靶材料，激光單脈沖能量為260mJ，重復頻率為4Hz，基底溫度為室溫，設備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續的，平整光滑的，厚度2微米的鈦酸鋇薄膜層，此薄膜層在可見光到近紅外光譜范圍呈現光學透明性，且穩定、能夠經受弱酸、堿處理的介質，以該膜層作為法布里-珀羅干涉薄膜的固定式腔體。
4.最后在3步驟沉積的透明介質層3上，利用脈沖激光薄膜沉積設備沉積一層金薄膜，以99.99％的高純度的金作為靶材料，激光單脈沖能量為210mJ，重復頻率為1Hz，基底溫度為400℃，設備的真空度為5×10-3Pa，沉積速率0.05nm/s，控制沉積厚度為6nm、具有納米結構特征的金薄膜層4，該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。
至此，本發明的具有貴金屬的表面、兼有法布里-珀羅干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器制作完成，其結構示意圖如圖1所示。
實施例2、使用實施例1中制備的傳感器來檢測分析化學分子使用本發明制備的傳感器來檢測分析化學分子的過程是將本發明制備的傳感器先置于高純純水中，利用吸收光譜儀(型號為SpectraPro-500i spectrophotometer，Acton Research Corporation)來采集吸收光譜數據，作為本底參考值；然后再將該傳感器放入待測樣品溶液中，一段時間后，待測樣品中某些分子通過與硫的共價鍵結合而吸附到金薄膜的表面，然后用高純水沖洗5分鐘，將傳感器再置于高純純水中，利用同一吸收光譜儀來采集表面吸附了待測樣品的傳感器的吸收光譜數據；比較兩次收集的數據，可以定性或定量的分析待測樣品的吸附情況。
使用實施例1制備的傳感器，根據上述方法分別對5毫摩爾/升的正己硫醇水溶液進行檢測，實驗結果如圖2所示，圖中曲線1為沒有經過正己硫醇溶液處理時，在高純純水中的吸收光譜，作為本底參考值；當經過正己硫醇溶液處理60秒鐘后，其光譜數據如曲線2所示，出現振蕩起伏；當處理的時間增加時，吸附到傳感器表面的分子數量隨之增加，光譜曲線的振蕩幅度會增大，經過正己硫醇溶液處理處理10分鐘和4小時的結果分別如曲線3和4所示。
由上述實驗結果可以看出，本發明提供的傳感器具有很高的靈敏度，可以在極低的濃度下檢測到待測的化學分子的吸附。而使用傳統的利用貴金屬的表面等離子振蕩的生物傳感器在這種濃度是檢測不到的。
實施例3、制備本發明的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器1.采用透射光方式利用吸收光譜儀檢測信號，選擇用透明的雙面拋光的非常平整光滑的10×10×0.5mm3玻璃作為基底1。用體積比為3∶1配比的濃硫酸、雙氧水溶液在80℃處理30分鐘，然后用高純凈水沖洗基片，最后分別用酒精和丙酮超聲清洗15分鐘。
2.把在1步驟清洗干凈的基底放置于脈沖激光薄膜沉積設備的樣品臺上，以99.99％的高純度的銀作為靶材料，激光單脈沖能量為230mJ，重復頻率為1Hz，基底溫度為室溫，設備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續的，平整光滑的，厚度為80nm的銀薄膜層2，此薄膜層呈現光學半透明性。
3.在2步驟沉積的銀薄膜層2上利用激光脈沖薄膜沉積設備，在其上面沉積透明的固態二氧化硅介質薄膜層3，以石英塊材料作為靶材料，激光單脈沖能量為260mJ，重復頻率為4Hz，基底溫度為室溫，設備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續的，平整光滑的，厚度5微米的鈦酸鋇薄膜層，此薄膜層在可見光到近紅外光譜范圍呈現光學透明性，且穩定、能夠經受弱酸、堿處理的介質，以該膜層作為法布里-珀羅干涉薄膜的固定式腔體。
4.最后在3步驟沉積的透明介質層3上，利用脈沖激光薄膜沉積設備沉積一層金屬薄膜，以99.99％的高純度的金作為靶材料，激光單脈沖能量為210mJ，重復頻率為1Hz，基底溫度為600℃，設備的真空度為5×10-3Pa，沉積速率0.1nm/s，控制沉積厚度為15nm、具有納米結構特征的金薄膜層4，該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。
至此，本發明的具有貴金屬的表面、兼有法布里-珀羅干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器制作完成。
實施例4、使用實施例3中制備的傳感器來檢測分析生物分子將實施例3中制備的傳感器按照實施例2中的方法收集傳感器在高純純水中和表面吸附了待測樣品的吸收光譜數據；比較兩次收集的數據，可以定性或定量的分析待測樣品的吸附情況。
使用上述方法可以對1015摩爾/升的量級的脫氧核糖核酸或生物蛋白質進行檢測，上述實驗結果可以看出，本發明提供的傳感器具有很高的靈敏度，可以在極低的濃度下檢測到待測的生物分子的吸附。而使用傳統的利用貴金屬的表面等離子振蕩的生物傳感器在這種濃度是檢測不到的。
權利要求
1.一種兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，包括一基底，依次沉積在其上的第一金屬薄膜層、透明介質層和第二金屬薄膜層，其特征在于所述的第一金屬薄膜層是由光學半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的透明介質層是由透明的固態介質組成的膜層，厚度在亞微米到數百微米級；該膜層做為法布里-珀羅干涉腔體透明介質；第二金屬薄膜層是一具有納米結構的金的薄膜層，其厚度為3～100nm；該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。
2.如權利要求1所述的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，其特征在于所述的基底為玻璃、熔融石英或硅片。
3.如權利要求1所述的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，其特征在于所述的第一金屬薄膜層是由金、銀或鋁組成的膜層。
4.如權利要求1所述的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，其特征在于所述的固態介質為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩定、能夠經受弱酸、堿處理的介質。
5.如權利要求1或4所述的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器，其特征在于所述的固態介質為二氧化硅、鈦酸鋇或高分子聚合物。
6權利要求1至4之一所述的兼有干涉效應和等離子振蕩效應的傳感器在對生物分子或化學分子進行檢測分析中的應用。
全文摘要
本發明涉及一種融會了光的法布里－珀羅干涉效應和納米結構金薄膜的表面等離子振蕩效應的生物或化學分子的傳感器，能夠實現金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測。該傳感器包括一拋光平整的基底，依次沉積在其上的第一金屬薄膜層、透明介質層和第二金屬薄膜層；所述的第一金屬薄膜層是由光學半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的透明介質層是由透明的固態介質組成的膜層，厚度在亞微米到數百微米級，該膜層做為法布里—珀羅干涉腔體；所述的第二金屬薄膜層是一具有納米結構的金的薄膜層，其厚度為3～100nm，該膜層有明顯的表面等離子振蕩特性。該傳感器可以對生物分子或化學分子等進行快速、靈敏的檢測分析。
文檔編號G01N21/45GK1991338SQ200510135209
公開日2007年7月4日 申請日期2005年12月27日 優先權日2005年12月27日
發明者呂國偉, 程波林, 周岳亮, 沈鴻, 陳正豪, 何萌, 金奎娟, 呂惠賓, 楊國楨 申請人:中國科學院物理研究所