專利名稱：一種兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器及其用途的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于傳感器領(lǐng)域，具體地說是涉及一種融會(huì)了光的法布里-珀羅干涉效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)金薄膜的表面等離子振蕩效應(yīng)的生物或化學(xué)分子的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測(cè)。
背景技術(shù)：
近幾十年來(lái)，隨著生命科學(xué)的發(fā)展，對(duì)生物分子、化學(xué)分子等進(jìn)行快速、靈敏檢測(cè)分析的各種生物傳感器得到了很大發(fā)展。
如在文獻(xiàn)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(yōu)異的物理化學(xué)特性被應(yīng)用到生物檢測(cè)領(lǐng)域中，利用熱蒸發(fā)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(xiàn)2Haes A.J.，et al，J.Am.Chem.Soc.127，226(2005)中所述，利用納米球模板技術(shù)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(duì)周圍介質(zhì)的有敏感響應(yīng)的特點(diǎn)，通過觀測(cè)等離子振蕩的變化來(lái)識(shí)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(diǎn)。
在文獻(xiàn)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(jié)構(gòu)的多孔硅，利用光線在多孔硅上下表面的反射光產(chǎn)生法布里-珀羅干涉效應(yīng)，觀測(cè)光發(fā)射光譜的變化來(lái)識(shí)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(diǎn)是該傳感器只能測(cè)量反射光，使得其應(yīng)用范圍有局限性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的生物傳感器或是靈敏度不夠高，或是制作工藝繁瑣、檢測(cè)時(shí)樣品量大等缺陷，從而提供一種整合兩種物理效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)化學(xué)和生物分子的高靈敏度的方便快捷檢測(cè)的傳感器，及其用途。
本發(fā)明的目的是通過如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明提供一種兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)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(zhì)層3和第二金屬薄膜層4；所述的基底1為在生物化學(xué)處理的過程中能夠保持穩(wěn)定性，不會(huì)被溶解、腐蝕掉，能夠經(jīng)受弱酸、弱堿的常規(guī)基底，優(yōu)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(xué)半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的光學(xué)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(zhì)層3是由透明的固態(tài)介質(zhì)組成的膜層，厚度在亞微米到數(shù)百微米級(jí)；所述的固態(tài)介質(zhì)為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩(wěn)定、能夠經(jīng)受弱酸、堿處理的介質(zhì)，優(yōu)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(zhì)；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(jié)構(gòu)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(fā)明提供的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)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(jìn)行預(yù)處理；依據(jù)所采用的光學(xué)測(cè)量方式，透射式或者反射式，來(lái)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(duì)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(guī)的薄膜沉積設(shè)備的樣品臺(tái)上，以高純度的光學(xué)半透明的金屬為源，在基底上沉積厚度為10～1000nm、連續(xù)平整光滑的第一金屬膜層2，該膜層呈光學(xué)半透明或者高反射的表面；所述的光學(xué)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(guī)的薄膜沉積技術(shù)沉積厚度在亞微米到數(shù)百微米級(jí)的透明的固態(tài)介質(zhì)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(tài)介質(zhì)為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩(wěn)定、能夠經(jīng)受弱酸、堿處理的介質(zhì)，優(yōu)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(zhì)；4)最后在步驟3)沉積的透明介質(zhì)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(jié)構(gòu)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(fā)明提供的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器可以對(duì)生物分子或化學(xué)分子等進(jìn)行快速、靈敏的檢測(cè)分析。使用時(shí)，將其置于待測(cè)樣品中，利用吸收光譜儀或者光反射方式來(lái)檢測(cè)待測(cè)樣品的生物分子或化學(xué)分子產(chǎn)生的信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)生物分子或化學(xué)分子的高靈敏度的檢測(cè)。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明融會(huì)了光的法布里-珀羅干涉效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)金薄膜的表面等離子振蕩效應(yīng)，本發(fā)明提供的傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測(cè)，其優(yōu)點(diǎn)在于1、該生物傳感器的制作工藝簡(jiǎn)單，所需設(shè)備都是很常用的商業(yè)設(shè)備。
2、該生物傳感器的檢測(cè)靈敏度很高，能夠?qū)ξ皆跇悠繁砻娴纳锓肿舆_(dá)到亞單層量級(jí)的檢測(cè)，可以檢測(cè)微量樣品。
3、該生物傳感器的檢測(cè)方法簡(jiǎn)單，靈活，利用常見的普通的光吸收光譜儀即可以實(shí)現(xiàn)，而且可以根據(jù)需要采用透射方式或者反射方式來(lái)實(shí)現(xiàn)檢測(cè)。
4、該生物傳感器是平面結(jié)構(gòu)的，這樣可以實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)多點(diǎn)的陣列模式，提高檢測(cè)通量和效率，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)陣式的生物傳感芯片。


圖1是本發(fā)明的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；其中，1基底，2金屬薄膜層，3透明介質(zhì)層，4第二金屬薄膜層；圖2是本發(fā)明實(shí)施例1制備的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器的透射光譜圖；其中，曲線1～4分別表示沒有經(jīng)過正己硫醇溶液處理，和經(jīng)過正己硫醇溶液處理60秒鐘、10分鐘和4小時(shí)的結(jié)果。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例1、制備本發(fā)明的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器1.采用透射光方式利用吸收光譜儀檢測(cè)信號(hào)，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(shè)備的樣品臺(tái)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(fù)頻率為1Hz，基底溫度為室溫，設(shè)備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續(xù)的，平整光滑的，厚度為80nm的銀薄膜層2，此薄膜層呈現(xiàn)光學(xué)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(shè)備，在其上面沉積透明的固態(tài)鈦酸鋇介質(zhì)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(fù)頻率為4Hz，基底溫度為室溫，設(shè)備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續(xù)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(xiàn)光學(xué)透明性，且穩(wěn)定、能夠經(jīng)受弱酸、堿處理的介質(zhì)，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(zhì)層3上，利用脈沖激光薄膜沉積設(shè)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(fù)頻率為1Hz，基底溫度為400℃，設(shè)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(jié)構(gòu)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(fā)明的具有貴金屬的表面、兼有法布里-珀羅干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器制作完成，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。
實(shí)施例2、使用實(shí)施例1中制備的傳感器來(lái)檢測(cè)分析化學(xué)分子使用本發(fā)明制備的傳感器來(lái)檢測(cè)分析化學(xué)分子的過程是將本發(fā)明制備的傳感器先置于高純純水中，利用吸收光譜儀(型號(hào)為SpectraPro-500i spectrophotometer，Acton Research Corporation)來(lái)采集吸收光譜數(shù)據(jù)，作為本底參考值；然后再將該傳感器放入待測(cè)樣品溶液中，一段時(shí)間后，待測(cè)樣品中某些分子通過與硫的共價(jià)鍵結(jié)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(lái)采集表面吸附了待測(cè)樣品的傳感器的吸收光譜數(shù)據(jù)；比較兩次收集的數(shù)據(jù)，可以定性或定量的分析待測(cè)樣品的吸附情況。
使用實(shí)施例1制備的傳感器，根據(jù)上述方法分別對(duì)5毫摩爾/升的正己硫醇水溶液進(jìn)行檢測(cè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示，圖中曲線1為沒有經(jīng)過正己硫醇溶液處理時(shí)，在高純純水中的吸收光譜，作為本底參考值；當(dāng)經(jīng)過正己硫醇溶液處理60秒鐘后，其光譜數(shù)據(jù)如曲線2所示，出現(xiàn)振蕩起伏；當(dāng)處理的時(shí)間增加時(shí)，吸附到傳感器表面的分子數(shù)量隨之增加，光譜曲線的振蕩幅度會(huì)增大，經(jīng)過正己硫醇溶液處理處理10分鐘和4小時(shí)的結(jié)果分別如曲線3和4所示。
由上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)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(cè)到待測(cè)的化學(xué)分子的吸附。而使用傳統(tǒng)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(cè)不到的。
實(shí)施例3、制備本發(fā)明的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器1.采用透射光方式利用吸收光譜儀檢測(cè)信號(hào)，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(shè)備的樣品臺(tái)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(fù)頻率為1Hz，基底溫度為室溫，設(shè)備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續(xù)的，平整光滑的，厚度為80nm的銀薄膜層2，此薄膜層呈現(xiàn)光學(xué)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(shè)備，在其上面沉積透明的固態(tài)二氧化硅介質(zhì)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(fù)頻率為4Hz，基底溫度為室溫，設(shè)備的真空度為5×10-3Pa，在基底上沉積連續(xù)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(xiàn)光學(xué)透明性，且穩(wěn)定、能夠經(jīng)受弱酸、堿處理的介質(zhì)，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(zhì)層3上，利用脈沖激光薄膜沉積設(shè)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(fù)頻率為1Hz，基底溫度為600℃，設(shè)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(jié)構(gòu)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(fā)明的具有貴金屬的表面、兼有法布里-珀羅干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器制作完成。
實(shí)施例4、使用實(shí)施例3中制備的傳感器來(lái)檢測(cè)分析生物分子將實(shí)施例3中制備的傳感器按照實(shí)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(cè)樣品的吸收光譜數(shù)據(jù)；比較兩次收集的數(shù)據(jù)，可以定性或定量的分析待測(cè)樣品的吸附情況。
使用上述方法可以對(duì)1015摩爾/升的量級(jí)的脫氧核糖核酸或生物蛋白質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，本發(fā)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(cè)到待測(cè)的生物分子的吸附。而使用傳統(tǒng)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(cè)不到的。
權(quán)利要求
1.一種兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)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(zhì)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(xué)半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的透明介質(zhì)層是由透明的固態(tài)介質(zhì)組成的膜層，厚度在亞微米到數(shù)百微米級(jí)；該膜層做為法布里-珀羅干涉腔體透明介質(zhì)；第二金屬薄膜層是一具有納米結(jié)構(gòu)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(quán)利要求1所述的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)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(quán)利要求1所述的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)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(quán)利要求1所述的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器，其特征在于所述的固態(tài)介質(zhì)為在可見光到近紅外光譜范圍透明的、且穩(wěn)定、能夠經(jīng)受弱酸、堿處理的介質(zhì)。
5.如權(quán)利要求1或4所述的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器，其特征在于所述的固態(tài)介質(zhì)為二氧化硅、鈦酸鋇或高分子聚合物。
6權(quán)利要求1至4之一所述的兼有干涉效應(yīng)和等離子振蕩效應(yīng)的傳感器在對(duì)生物分子或化學(xué)分子進(jìn)行檢測(cè)分析中的應(yīng)用。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種融會(huì)了光的法布里－珀羅干涉效應(yīng)和納米結(jié)構(gòu)金薄膜的表面等離子振蕩效應(yīng)的生物或化學(xué)分子的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)金薄膜表面上亞單層分子的靈敏度的探測(cè)。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(zhì)層和第二金屬薄膜層；所述的第一金屬薄膜層是由光學(xué)半透明的金屬組成的膜層，厚度為10～1000nm；所述的透明介質(zhì)層是由透明的固態(tài)介質(zhì)組成的膜層，厚度在亞微米到數(shù)百微米級(jí)，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(jié)構(gòu)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(duì)生物分子或化學(xué)分子等進(jìn)行快速、靈敏的檢測(cè)分析。
文檔編號(hào)G01N21/45GK1991338SQ200510135209
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年12月27日 優(yōu)先權(quán)日2005年12月27日
發(fā)明者呂國(guó)偉, 程波林, 周岳亮, 沈鴻, 陳正豪, 何萌, 金奎娟, 呂惠賓, 楊國(guó)楨 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院物理研究所