一種光波導傳感芯片及其制備方法以及應用
【專利說明】一種光波導傳感芯片及其制備方法以及應用 【技術領域】
[0001] 本發明涉及光波導傳感芯片的制備，特別是涉及一種在金膜基底上生長納米級厚 度的二氧化硅薄膜的光波導傳感芯片的制備方法，以及該芯片在生物分子檢測方面的應 用。 【【背景技術】】
[0002] 三維模型生物檢測已經成為一個熱門話題，例如蛋白的吸附、特異性識別以及細 菌細胞的富集等。由此大量的相關傳感器被設計，例如機械式傳感器、電化學傳感器以及光 學傳感器。基于檢測折射率改變的光學傳感器具有簡單方便、無損安全、超高靈敏度等優 點，受到人們的普遍重視。常見的基于檢測折射率改變的光學傳感器有表面等離子體共振 (surface plasmon resonance，SPR)和光波導傳感器（optical waveguide,0WG)兩種類型。
[0003] 傳統的SPR傳感器基于Kretchmann和Reather親合裝備，一般包括三層結構：基底 層、金屬層以及覆蓋層。一條激光按照不同的入射角照射SPR傳感器，光線在特定角度耦合 進傳感器，反射光強隨之改變。耦合角度取決于SPR傳感器的有效折射率，當基底層和金屬 層固定時主要受覆蓋層(待測溶液)折射率影響。通過分析耦合角度的變化來分析覆蓋層的 相關信息。然而傳統SPR傳感器的穿透深度只有100nm左右，主要用于分析分子大小級別的 物質，例如重金屬離子、葡萄糖、蛋白質等。
[0004] 光波導傳感器與SPR傳感器類似，包括基底層、金屬層、波導層和覆蓋層四層結構。 相對于SPR傳感器，光波導傳感器在金屬層和覆蓋層之間增加了幾百納米厚度的波導層，不 僅提供了多種波導傳播模式，而且大大增加了波導的穿透深度。光波導傳感器不僅應用于 小分子的檢測，同時在細菌以及細胞等微米級別生物體檢測方面都有重要應用。光波導傳 感器已經成為在復雜微量檢測方面具有超高靈敏度的光學傳感器重要部分。
[0005] 光波導傳感器的靈敏度和檢測形態主要取決于波導層的設計。目前常見的波導層 材料包括多孔陽極氧化鋁薄膜、多孔二氧化鈦薄膜、水凝膠薄膜以及一些以陽極氧化鋁為 模板填充不同材料制作的納米柱(管)陣列薄膜等。現有的制備這些材料形成光波導傳感器 的過程均較復雜、且制得的傳感器易于損壞、靈敏度低。例如，以陽極氧化鋁為模板填充二 氧化硅材料制作二氧化硅納米陣列管作為波導層制備光波導傳感器的方法中，涉及多孔陽 極氧化鋁薄膜的復雜制作過程，且涉及將幾百納米厚的多孔陽極氧化鋁薄膜貼于金膜上， 操作難度非常大，且多孔陽極氧化鋁薄膜粘貼得是否可靠良好，對于制得的二氧化硅納米 陣列管的形貌、均勻性均有較大影響，最終影響制得的光波導傳感芯片的靈敏度。 【
【發明內容】
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[0006] 本發明所要解決的技術問題是：彌補上述現有技術的不足，提出一種光波導傳感 芯片及其制備方法以及應用，制備過程簡單，且易于控制生成的二氧化硅薄膜的厚度從而 達到超尚靈敏度。
[0007] 本發明的技術問題通過以下的技術方案予以解決：
[0008] -種光波導傳感芯片的制備方法，包括以下步驟：1)在基底材料上制備金膜得到 金膜基底，將金膜基底采用如下兩種方式中的任一種進行處理:第一種:浸入巰基硅烷溶液 中處理后用酸溶液處理;第二種:浸入巰基烷醇溶液中處理;2)將經步驟1)得到的金膜基底 直接浸入溫度為60~70 °C的StSber溶液中靜置48~120h，至生長出所需厚度的二氧化硅薄 膜;所述StSber液為十六烷基三甲基溴化銨、水、乙醇、質量分數為25 %的濃氨水和正硅酸 乙酯的混合溶液；其中，乙醇：水：濃氨水：正硅酸乙酯的體積比為（18~20): (30~32): (0 ·004~0 · 032): (0 · 032~0 · 048)，每50mL的混合溶液中包含0 · 08~0 · 12g的十六烷基三甲 基溴化銨;3)將生長有二氧化硅薄膜的金膜基底進行干燥處理。
[0009] 根據如上所述的制備方法制得的光波導傳感芯片。
[0010] -種光波導傳感芯片的應用方法，將根據如上所述的制備方法制得的光波導傳感 芯片應用于生物分子檢測。
[0011] 本發明與現有技術對比的有益效果是：
[0012] 本發明的光波導傳感芯片的制備方法，制備過程中省略了多孔陽極氧化鋁薄膜這 一模板，不再借助多孔陽極氧化鋁薄膜作為"骨架"來生長二氧化硅薄膜，將金膜基底直接 浸入特定配方下的SUiber溶液下直接在金膜基底上生長出厚度均勾可控的納米級厚度的 薄膜。本發明的制備方法，不涉及多孔陽極氧化鋁薄膜的準備以及粘貼過程，操作簡單。生 成的二氧化硅薄膜形貌均勻，通過浸入時間的控制即可實現薄膜厚度的控制，而薄膜厚度 直接影響著制得的光波導傳感芯片的靈敏度，從而本發明的制備方法可制得超高靈敏度的 光波導傳感芯片。經驗證，本發明制得的光波導傳感芯片檢測CTAB水溶液時，可檢測到最低 濃度為l〇〇nm的CTAB水溶液，靈敏度較高。 【【附圖說明】】
[0013] 圖1是本發明【具體實施方式】的實施例1中制得的光波導傳感芯片的截面的掃描電 子顯微鏡圖（SEM);
[0014] 圖2是本發明【具體實施方式】的實施例1中制得的光波導傳感芯片的反射率角度譜 圖；
[0015] 圖3是本發明【具體實施方式】的實施例1中制得的光波導傳感芯片在檢測十六烷基 三甲基溴化銨(CTAB)時的動力學曲線圖；
[0016] 圖4是本發明【具體實施方式】的實施例2中制得的光波導傳感芯片的截面的掃描電 子顯微鏡圖（SEM);
[0017] 圖5是本發明【具體實施方式】的實施例3中制得的光波導傳感芯片的截面的掃描電 子顯微鏡圖（SEM);
[0018] 圖6是本發明【具體實施方式】的實施例4中制得的光波導傳感芯片的截面的掃描電 子顯微鏡圖（SEM)。 【【具體實施方式】】
[0019] 下面結合【具體實施方式】并對照附圖對本發明做進一步詳細說明。
[0020] 本【具體實施方式】中提供一種光波導傳感芯片的制備方法，包括以下步驟：。
[0021] 1)在基底材料上制備金膜得到金膜基底，將金膜基底采用如下兩種方式中的任一 種進行處理:第一種:浸入巰基硅烷溶液中處理后用酸溶液處理;第二種:浸入巰基烷醇溶 液中處理。
[0022]該步驟中，在基底材料，例如玻璃上制備金膜后，對其進行處理，使其獲得親水性 效果。第一種處理方式中，金膜基底浸入巰基硅烷溶液中處理后用酸溶液處理，金膜基底浸 入巰基硅烷溶液，巰基吸附金膜表面、硅烷露在外部;浸入酸溶液中后，金膜基底表面的硅 烷水解，形成表面修飾羥基，達到親水效果。第二種處理方式中，浸入巰基烷醇溶液中，通過 巰基烷醇的修飾作用，使金膜基底表面直接達到親水效果。第二種處理方式通過一步浸潤 處理即可直接達到親水效果，是相對于第一種處理方式較為優選的一種設置。
[0023] 具體地，在第一種處理方式下，巰基硅烷溶液例如可為（3-巰基丙基)三甲氧基硅 烷的乙醇溶液。溶液濃度為l-30mmo 1/L，金膜在溶液中浸泡的時間為3h以上，避光，可以達 到較好的親水效果，有利于后續二氧化硅薄膜的穩定生長。當然，上述僅為示例，巰基硅烷 中的乙氧基基團在酸性條件下均易水解，形成羥基，從而其它任何巰基硅烷均可以應用于 此以輔助使金膜基底達到親水效果。酸溶液例如為HC1水溶液，溶液濃度為0.05-0.2mol/L， 在該濃度范圍下，既能保證巰基硅烷快速水解，又不至腐蝕金膜基底。
[0024] 第二種處理方式下，巰基烷醇溶液可以為巰基十一烷醇，溶液濃度為l-20mmol/L。 金膜在溶液中浸泡的時間為3h以上，避光，從而可以達到較好的親水效果，有利于后續二氧 化硅薄膜的穩定生長。當然，上述僅為示例，其它任何巰基烷醇溶液均可實現一步處理使金 膜基底達到親水效果。
[0025] 2)將經步驟1)得到的金膜基底直接浸入溫度為60~70°C的St5ber溶液中靜置48~ 120h，至生長出所需厚度的二氧化硅薄膜。其中，St5ber溶液為十六烷基三甲基溴化銨、水、 乙醇、質量分數為25%的濃氨水和正硅酸乙酯的混合溶液;其中，