專利名稱：一種基于周期性納米結構的生物傳感器及其制備方法
技術領域：
本發明涉及一種生物傳感器，尤其涉及一種基于周期性納米結構的生物傳感器及其制備方法。
背景技術：
表面等離子體是一種在金屬和介質界面上傳播的電磁波，由入射光場與金屬表面電子相互作用產生。表面等離子體的共振條件對金屬表面介質的折射率微小變化非常敏感。表面等離子體共振生物傳感器是表征生物分子相互作用的主要工具。表面等離子體共振生物傳感器的基本原理是通過記錄表面等離子體共振角或共振波長的變化，來實現對表面待測分析物折射率的檢測。與其它類型的生物傳感器相比，基于表面等離子體共振的生物傳感器通過檢測樣本折射率的改變來識別樣本，不需要熒光標簽或者其他標簽，能夠對生物樣品進行原位、無損且無標記的檢測，因此表面等離子體生物傳感器是無污染的高靈 敏度生物傳感器。目前基于表面等離子體的生物傳感器一般采用Kretschmann棱鏡結構，p偏振光經過棱鏡以一定角度入射到棱鏡與金屬膜的界面。對于一定的入射角度和光波長，棱鏡提供入射電磁波和表面等離子體之間的波矢匹配。然而,Kretschmann棱鏡結構體積龐大,不易集成和攜帶。
發明內容
本發明針對目前基于表面等離子體的生物傳感器采用的Kretschmann棱鏡結構存在的上述不足，提供一種基于周期性納米結構的表面等離子體共振生物傳感器及其制備方法。
本發明解決上述技術問題的技術方案如下一種基于周期性納米結構的生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結構，所述貴金屬薄膜設置于襯底上，所述周期性納米結構設置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結構包括多行等間距分布且相互平行的通孔結構，所述周期性納米結構用于提供激發表面等離子體所需的波矢匹配。在上述技術方案的基礎上，本發明還可以做如下改進。進一步，所述每個通孔結構包括多個等間距分布的通孔，所述周期性納米結構的厚度為250納米 550納米。進一步，所述通孔的形狀為圓形或者正方形。進一步，所述通孔的邊長或者直徑為300納米 600納米，所述通孔結構之間的間距為550納米 800納米，所述通孔之間的間距為550納米 800納米。進一步，所述襯底為固體材料、有機自支撐薄膜或者無機自支撐薄膜。進一步，所述固體材料為熔融石英、普通玻璃、有機玻璃或者硅，所述有機自支撐薄膜為聚酰亞胺薄膜，所述無機自支撐薄膜為碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
進一步，所述貴金屬薄膜的材料為金、銀或者鋁，所述貴金屬薄膜的厚度為20納米 70納米。本發明還提供一種解決上述技術問題的技術方案如下一種基于周期性納米結構的生物傳感器的制備方法包括以下步驟
步驟一在經過清潔處理后的襯底上利用電子束蒸發形成貴金屬薄膜；
步驟二 在所述貴金屬薄膜上形成介質層；
步驟三在所述介質層上形成多個周期性排列的通孔從而形成周期性納米結構。所述步驟二形成介質層的方法為生長或者旋涂。進一步，當所述介質層為氮化硅或者碳化硅時，所述介質層上的多個周期性排列 的通孔是在介質層上旋涂一層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，再利用電子束直寫得到抗蝕劑周期性圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質層，再去除抗蝕劑之后而得到的。進一步，當所述介質層為在貴金屬薄膜上涂覆電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA后，再經過熱處理固化而形成時，所述介質層上的多個周期性排列的通孔是利用電子束直寫介質層上周期孔圖形，再經過顯影、定影和熱處理而得到的。本發明的有益效果是本發明基于周期性納米結構的生物傳感器能夠克服傳統生物傳感器體積龐大的缺點，提供激發表面等離子體所需的波矢匹配，并且所有的制作工藝同標準的半導體工藝兼容，制作工藝簡單，體積較小且易于集成。
圖I為本發明實施例基于周期性納米結構的生物傳感器的結構示意 圖2為本發明實施例周期性納米結構的結構示意 圖3為本發明實施例周期性納米結構不同周期大小時的反射特性 圖4為本發明基于周期性納米結構的生物傳感器制備方法實施例一的流程示意 圖5為本發明基于周期性納米結構的生物傳感器制備方法實施例二的流程示意圖。
具體實施例方式以下結合附圖對本發明的原理和特征進行描述，所舉實例只用于解釋本發明，并非用于限定本發明的范圍。如圖I所示，所述基于周期性納米結構表面等離子體共振的生物傳感器包括襯底I、貴金屬薄膜2和周期性納米結構3。所述貴金屬薄膜2設置于襯底I上，所述周期性納米結構3設置于貴金屬薄膜2上。所述襯底I可以為熔融石英、普通玻璃、有機玻璃或者硅，也可以為有機或者無機自支撐薄膜包括聚酰亞胺薄膜、碳化硅薄膜、氮化硅薄膜等。所述貴金屬薄膜的成分可以為金、銀、鋁等金屬。所述基于周期性納米結構表面等離子體共振的生物傳感器在使用時，將待測液體4放在周期性納米結構3上，光源5和半反半透鏡7設置于生物傳感器的上方，光源5和半反半透鏡7位于同一水平面上，光譜儀6設置于半反半透鏡7的正上方。光源5發出的探測光垂直入射到周期性納米結構3上；周期性納米結構3上分布有多個周期性陣列排列的通孔，使得探測光垂直入射到多個周期性陣列排列的通孔上。測量過程為光源5發出的探測光照射到半反半透鏡7上，經過7的反射垂直照到周期性納米結構3上面的待測液體4中，從待測液體4中反射出來的光經過半反半透鏡7被光譜儀6接收，得到待測光譜結果，用該結果同沒有放置待測液的光譜結果相比較，得到待測液的折射率。如圖2所示，周期性納米結構3包括至少兩行等間距分布且相互平行的通孔結構，每個通孔結構包括至少兩個等間距分布的通孔，周期性納米結構3用于提供激發表面等離子體所需的波矢匹配，貴金屬薄膜2的厚度設計為20到70納米，周期性納米結構3的厚度250到550納米，通孔的形狀為圓形或者正方形，在本實施例中，通孔的形狀為正方形，方孔的邊長為300到600納米，相鄰兩個方孔之間的距離為550到800納米。如圖3所示，為本發明實施例中選取不同周期大小的周期性納米結構的反射譜特性圖。所用表面等離子體共振生物傳感器結構中金膜厚度為55納米，周期性納米結構的厚度為400納米，介質方孔的邊長為465納米，相鄰兩個方孔之間的距離P分別為550，600、650和700納米。從圖3可以看出，隨周期增大，表面等離子體共振波長紅移。周期納米介質結構的這種特性使我們可以根據需要制作不同周期大小的納米結構，滿足不同波長情況下的測量。
如圖4和圖5所示，圖4和圖5為本發明實施例中生物傳感器的制作方法流程圖
1)在清潔處理好的固體襯底上利用電子束蒸發20納米到70納米的貴金屬薄膜；
2)介質層可以為氮化硅或者碳化硅，也可以為電子束抗蝕劑Z印520A或PMMA，經過熱處理固化；
3)如果介質層為電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，利用電子束直寫介質上周期孔圖形，顯影，定影，熱處理得到周期介質結構；如果介質層為氮化硅或者碳化硅，在該層結構上再旋涂一層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，利用電子束直寫得到抗蝕劑周期圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質層，去除抗蝕劑之后得到介質周期結構。以上所述僅為本發明的較佳實施例，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
權利要求
1.一種基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結構，所述貴金屬薄膜設置于襯底上，所述周期性納米結構設置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結構包括多行等間距分布且相互平行的通孔結構，所述周期性納米結構用于提供激發表面等離子體所需的波矢匹配。
2.根據權利要求I所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述每個通孔結構包括多個等間距分布的通孔，所述周期性納米結構的厚度為250納米 550納米。
3.根據權利要求2所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述通孔的形狀為圓形或者正方形。
4.根據權利要求3所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述通孔的邊長或者直徑為300納米 600納米，所述通孔結構之間的間距為550納米 800納米，所述通孔之間的間距為550納米 800納米。
5.根據權利要求I所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述襯底為固體材料、有機自支撐薄膜或者無機自支撐薄膜。
6.根據權利要求5所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述固體材料為熔融石英、普通玻璃、有機玻璃或者硅，所述有機自支撐薄膜為聚酰亞胺薄膜，所述無機自支撐薄膜為碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
7.根據權利要求I所述的基于周期性納米結構的生物傳感器，其特征在于，所述貴金屬薄膜的材料為金、銀或者鋁，所述貴金屬薄膜的厚度為20納米 70納米。
8.一種基于周期性納米結構的生物傳感器的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括以下步驟 步驟ー在經過清潔處理后的襯底上利用電子束蒸發形成貴金屬薄膜； 步驟ニ 在所述貴金屬薄膜上形成介質層； 步驟三在所述介質層上形成多個周期性排列的通孔從而形成周期性納米結構。
9.根據權利要求8所述的基于周期性納米結構的生物傳感器的制備方法，其特征在于，當所述介質層為氮化硅或者碳化硅時，所述介質層上的多個周期性排列的通孔是在介質層上旋涂ー層電子束抗蝕劑Zep520A或PMMA，再利用電子束直寫得到抗蝕劑周期性圖形之后，以抗蝕劑為掩蔽干法刻蝕介質層，再去除抗蝕劑之后而得到的。
10.根據權利要求8所述的基于周期性納米結構的生物傳感器的制備方法，其特征在干，當所述介質層為在貴金屬薄膜上涂覆電子束抗蝕劑Z印520A或PMMA后，再經過熱處理固化而形成時，所述介質層上的多個周期性排列的通孔是利用電子束直寫介質層上周期孔圖形，再經過顯影、定影和熱處理而得到的。
全文摘要
本發明涉及一種基于周期性納米結構的生物傳感器及其制備方法。所述生物傳感器為表面等離子體共振生物傳感器，其包括襯底、貴金屬薄膜和周期性納米結構，所述貴金屬薄膜設置于襯底上，所述周期性納米結構設置于貴金屬薄膜上，所述周期性納米結構包括多行等間距分布且相互平行的通孔結構，所述周期性納米結構用于提供激發表面等離子體所需的波矢匹配。本發明基于周期性納米結構的生物傳感器能夠克服傳統生物傳感器體積龐大的缺點，提供激發表面等離子體所需的波矢匹配，并且所有的制作工藝同標準的半導體工藝兼容，制作工藝簡單，體積較小且易于集成。
文檔編號G01N21/55GK102798615SQ20111013321
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月23日 優先權日2011年5月23日
發明者李海亮, 史麗娜, 朱效立, 李冬梅, 謝常青, 劉明 申請人:中國科學院微電子研究所