微流控表面增强拉曼散射透明器件结构及其制备方法
【专利摘要】本发明涉及一种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构及其制备方法，按照本发明提供的技术方案，所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，包括透明活性基底以及支撑在所述透明活性基底上的微流通道结构层，在所述微流通道结构层内设置若干检测微流道，所述检测微流道与微流通道结构层上的入液口以及出液口相连通；透明活性基底与检测微流道相对应的区域表面上均设置有金属纳米森林结构，所述金属纳米森林结构位于入液口与出液口之间。本发明结构紧凑，能提高表面增强拉曼散射检测信号的一致性，缩短检测时间，能提高表面增强拉曼散射检测信号的信噪比，能实现对多种物质的同时实时检测，适应范围广，安全可靠。
【专利说明】微流控表面増强拉曼散射透明器件结构及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种拉曼散射透明器件结构及其制备方法，尤其是一种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构及其制备方法，属于半导体器件的【技术领域】。
【背景技术】
[0002]基于拉曼散射光谱的检测技术是一种不需要对待检测样品进行标记的物质结构分析手段，具有非破坏性、无需接触等特点。随着激光技术和弱信号探测接收技术的发展，作为一种可实现物质结构分子水平检测的手段，拉曼散射光谱检测技术有望在生物检测、疾病诊断、环境监测、化学分析等领域获得实际和广泛的应用。然而，由于拉曼散射截面�。⑸涔馄准觳獾姆治隽槊舳鹊停芏喾肿踊蛘呋诺睦馄缀苣鸦竦�。虽然通过提高激励激光功率可以在一定程度上提高拉曼散射光谱的强度，但对于生物样品，强度太大的激光会破坏样品的生物活性，因此很多应用转而利用了表面增强拉曼散射效应来提高样品的拉曼散射光谱强度。
[0003]表面增强拉曼散射效应是指粗糙的贵金属表面在入射光激发的情况下增强吸附在其表面的物质分子的拉曼散射光谱信号的一种现象。分子拉曼散射信号的增强来源于粗糙表面在光照射下所产生的表面电子振荡，当入射光的频率与金属自身的等离子体的频率相匹配时，电子振荡达到最大，于是在金属表面产生一个与入射光频率相同的附加局域电磁场，它所覆盖的区域存在着入射光和表面等离子体被激发后叠加在一起的电磁场。由于分子的拉曼散射源于分子自身的极化与外界电场的相互作用，所以处在这个叠加电场中的分子除了受原入射电磁场的作用外还受这个局域增强电磁场的作用，因此激发出的拉曼散射信号也相应地得到了加强。与普通拉曼散射光谱信号相比，表面增强拉曼散射信号的强度有多个量级的增强，甚至可以实现对单分子拉曼散射信号的探测。
[0004]截至目前，已经报道了多种多样的基于纳米粗糙面或纳米结构的开放式表面增强拉曼散射活性基底的制备方法，包括溶胶颗粒法、金属电极的电化学氧化还原法、金属纳米小球排布法、气液固化学生长法及物理化学刻蚀法等等。在这些开放式活性基底上尤其是在纳米粗糙面或纳米结构上分布待测试剂时，一般采用浸泡-蒸发法和滴定-蒸发法。当采用浸泡-蒸发法时，可以在开放式活性基底的纳米粗糙面或纳米结构上均匀吸附一层待分析物分子，但是这种方法所需要的试剂剂量大，同时浸泡耗费的时间往往需要几个小时甚至更长。当采用滴定-蒸发法分布待分析物时，所需的试剂剂量在水平方向上只需要覆盖活性基底整个表面，但其高度可能达到毫米量级，因此试剂用量仍旧较大；且该方法也同样需要耗费较长的溶剂蒸发时间；此外，采用该方法在开放式活性基底上分布分子时，由于咖啡环效应等因素的影响，分子在活性基底上的分布不能达到很好的均匀性，从而影响所检测到的拉曼散射信号的一致性；另外，从应用角度上说，采用蒸发法分布待分析物分子不适用于对液体环境有特殊要求的生物分子的活体检测。
[0005]微流控表面增强拉曼散射检测器件可以实现液体环境中的分子在片检测，具有测量一致性高，测试时间短等显著优点。但已报道的微流控SERS (Surface-enhanced Ramanscattering)检测器件其制备流程复杂，所涉及的工艺步骤繁多，且其活性基底一般采用可见光不透明的材料制备得到，继而在对较大尺寸物质进行检测时，激光从正面进入器件，却往往因为被测物质覆盖纳米森林结构导致激光无法透过该物质顺利到达纳米森林结构，从而使器件的检测失效。另外，已报道的微流控SERS检测器件因为SERS活性基底以外用于键合的键合区域在整个流程中一直暴露于材料沉积、物理刻蚀等步骤中，导致该区域表面粗糙度大，难以实现有效键合。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是克服现有技术中存在的不足，提供一种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构及其制备方法，其结构紧凑，能提高表面增强拉曼散射检测信号的一致性，缩短检测时间，能提高表面增强拉曼散射检测信号的信噪比，能实现对多种物质的同时实时检测，还可实现对大分子、高分子以及结晶类物质的实现检测，具有适应范围广，安全可靠的特点。
[0007]按照本发明提供的技术方案，所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，包括透明活性基底以及支撑在所述透明活性基底上的微流通道结构层，在所述微流通道结构层内设置若干检测微流道，所述检测微流道与微流通道结构层上的入液口以及出液口相连通；透明活性基底与检测微流道相对应的区域表面上均设置有金属纳米森林结构，所述金属纳米森林结构位于入液口与出液口之间。
[0008]所述透明活性基底和纳米森林结构为对用于产生拉曼光谱信号的激光可透过，透过率的范围为20%-100%。
[0009]所述检测微流道在同一个微流控表面增强拉曼散射透明器件结构中的数量为2-20 条。
[0010]所述金属层的厚度为5~30nm，纳米森林结构中每个纳米结构的直径小于300nm，每个纳米结构的高度为100nm~2 μπι。
[0011]一种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，所述拉曼散射透明器件结构的制备方法包括如下步骤:
a、提供透明活性基底，在所述透明活性基底上通过间隙引入非均匀刻蚀的方法设置若干金属纳米森林结构；
b、提供微通道基板，并利用所述微通道基板制备得到微流通道结构层，所述微流通道结构层内具有与金属纳米森林结构数量相一致的检测微流道，检测微流道与微流通道结构层上的入液口与出液口相连通；
C、将上述透明活性基底与微流通道结构层对准键合，微流通道结构层支撑在透明活性基底上，且所述检测微流道位于金属纳米森林结构的正上方。
[0012]所述入液口内设有入液管，在出液口内设有出液管。
[0013]所述步骤b中，微流通道结构层的材料为聚二甲基硅氧烷时，微流通道结构层通过如下步骤制备得到:
2_a、提供第一微通道基板，并在所述第一微通道基板表面涂覆光刻胶，且对所述光刻胶进行曝光，以得到所需的光刻胶图形；
2_b、利用第一微通道基板上的光刻胶图形为掩膜，对所述第一微通道基板进行各向异性刻蚀，去除第一微通道基板上的光刻胶图形，以在所述第一微通道基板上得到微流通道模具；
2-c、以聚二甲基硅氧烷为材料的预聚体浇注在上述第一微通道基板上，使聚二甲基硅氧烷的预聚体交联固化，以在第一微通道基板上得到聚合体；将上述聚合体从第一微通道基板上剥离，聚合体内与微流通道模具相对应的位置形成检测微流道，在所述检测微流道的两端制备与所述检测微流道相连通的聚合体开口。
[0014]所述步骤b中，微流通道结构层的材料为硅或玻璃时，微流通道结构层通过如下步骤制备得到:
2_a’、提供第二微通道基板，并在所述第二微通道基板的表面旋涂光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光显影，以在第二微通道基板上得到所需的光刻胶图形；
2-b’、以上述第二微通道基板上的光刻胶图形为掩膜，对第二微通道基板进行各向异性刻蚀，在去除第二微通道基板上的光刻胶图形后，得到所需的检测微通道；
2-c’、在每个检测微通道的两端设置入液口以及出液口，以得到微通道结构层。
[0015]所述金属纳米森林结构的宽度不大于所述金属纳米森林结构正上方的检测微流道的宽度；金属纳米森林结构的高度方向垂直于透明活性基底；
所述金属纳米森林结构包括纳米森林结构以及覆盖在所述纳米森林结构上的金属层，所述金属层的材料为金、铂或银。
[0016]所述透明活性基底的材料包括玻璃，玻璃的厚度为200 μ m-2mm。
[0017]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:
1、利用检测微流道与金属纳米森林结构配合实现被检测试剂在表面增强拉曼散射活性基底上的均匀分布，从而提高了表面增强拉曼散射检测信号的一致性，较浸泡-蒸发法和滴定-蒸发法的检测时间显著缩短；
2、采用检测微流道在实现待分析物分子均匀分布的基础上可有效减少甚至避免测试环境引入的噪声，提高表面增强拉曼散射检测信号的信噪比，从而可有效保障器件检测信号的一致性；
3、采用透明活性基底，激光可以从透明活性基底的背面入射到检测器件中，进而可以不受被测分子或物质尺寸的影响，获得良好的检测结果。
[0018]4、可通过设计不同的检测微流道，制作一对或多对入液口、出液口，可用于一种待分析物分子的测试或不同待分析物混合和反应前后的信号检测与对比。
[0019]5、可通过在透明第一基片上设计多组金属纳米森林结构的图形区域，并通过制作多个检测微流道，可同时实现对多种物质的同片实时检测。
[0020]总之，本发明所制备的微流控表面增强拉曼散射透明器件，可广泛应用于生物、化学、医学、农业等领域检测液体待分析物和/或胶体待分析物和/或气体待分析物。
【专利附图】
【附图说明】
[0021]图1~图12为本发明实施例1的具体实施步骤剖视图，其中图1为本发明对第一基片清洗后的剖视图。
[0022]图2为本发明利用第二基片得到镂空基片后的剖视图。
[0023]图3为本发明第一基片与镂空基片粘贴后的剖视图。
[0024]图4为本发明进行各向异性刻蚀的剖视图。
[0025]图5为本发明在第一基片上得到纳米森林结构的剖视图。
[0026]图6为本发明得到金属纳米森林结构的剖视图。
[0027]图7为本发明得到透明活性体后的剖视图。
[0028]图8为本发明对第一微流通道基板清洗后的剖视图。
[0029]图9为本发明得到微流通道模具后的剖视图。
[0030]图10为本发明浇注预聚体后的剖视图。
[0031]图11为本发明得到聚合体后的剖视图。
[0032]图12为本发明将第一微流通道结构体与透明活性体键合后的剖视图。
[0033]图13~图15为本发明实施例2的具体实施步骤剖视图，其中图13为本发明第二微流通道基板清洗后的剖视图。
[0034]图14为本发明形成第二微流通道结构体后的剖视图。
[0035]图15为本发明将第二微流通道结构体与透明活性体键合后的剖视图。
[0036]图16为本发明的结构示意图。
[0037]附图标记说明:101-第一基片、201-第二基片、202-第一基片相似材料层、203-穿通结构、301-粘贴胶带、302-引入距离、401-刻蚀气体等离子体、501-纳米森林结构、601-金属纳米森林结构、602-基片金属层、701-透明活性体、801-第一微流通道基板、901-微流通道模具、1001-预聚体、1101-聚合体、1102-聚合体开口、1201-检测微流道、1202-第一微流通道结构体、1301-第二微流通道基板、1401-第二微流通道结构体、1601-入液口、1602-入液管、1603-出液口、1604-出液管、1605-透明活性基底以及1606-微流通道结构层。
【具体实施方式】
[0038]下面结合具体附图和实施例对本发明作进一步说明。
[0039]如图16所示:为了能提高表面增强拉曼散射检测信号的一致性，缩短检测时间，能提高表面增强拉曼散射检测信号的信噪比，能实现对多种物质的同时实时检测，本发明包括透明活性基底1605以及支撑在所述透明活性基底1605上的微流通道结构层1606，在所述微流通道结构层1606内设置若干检测微流道1201，所述检测微流道1201与微流通道结构层1606上的入液口 1601以及出液口 1603相连通；透明活性基底1605与检测微流道1201相对应的区域表面上均设置有金属纳米森林结构601，所述金属纳米森林结构601位于入液口 1601与出液口 1603之间。
[0040]具体地，所述金属纳米森林结构601的宽度不大于所述金属纳米森林结构601正上方的检测微流道1201的宽度；金属纳米森林结构601的高度方向垂直于透明活性基底1605。所述金属纳米森林结构601包括纳米森林结构501以及覆盖在所述纳米森林结构501上的金属层，所述金属层的材料为金、铂或银。所述金属层的厚度为5~30nm，纳米森林结构501中每个纳米结构的直径小于300nm，每个纳米结构的高度为100nm~2 μπι。
[0041]所述检测微流道1201的宽度为1mm，深度为10-50 μπι，优选20 μπι或50 μπι。透明活性基底1605与微流通道结构层1606共同构成器件结构的长度为10mm，一般地，微流通道结构层1606内设置2~20条检测微流道1201。所述器件结构的宽度由所设置的检测微流通道1201的数量决定，随着数量的增大，所述器件的宽度可相应增宽。在检测时，激光能从透明活性基底1605下表面入射，为了提高检测效果，即所述透明活性基底1605和纳米森林结构501为对用于产生拉曼光谱信号的激光可透过，透过率的范围为20%-100%。
[0042]在检测时，在入液口 1601内放置入液管1602，在出液口 1603内置入出液管1604，以通过入液管1602向检测微流道1201内注入被测试剂，且能通过出液管1604流出。
[0043]具体检测时，将被测试剂通过注射器从插置于入液口 1601内的入液管1602压入检测微流道1201内，被测试剂会从入液口 1601向出液口 1603的方向流动；被测试剂中所含的物质或分子随着流体的流动在检测微流道1201内会实现均匀分布，因为检测微流道1201的底部为金属纳米森林结构601，所以被测试剂所含的物质或分子在静置几分钟之后会沉降到金属纳米森林结构601的表面。
[0044]由于被测试剂中所含物质或分子有可能存在较大的尺寸，当其覆盖金属纳米森林结构601后，从正面入射的激光无法穿透该物质或分子到达金属纳米森林结构601表面，因此，无法产生表面等离子体振荡效应。本发明实施例中，为了能够实现检测，可以从透明活性基底1605的底面入射激光，所述透明活性基底1605的底面即为与微流通道结构层1606相连的另一面，透明活性基底1605的透明材质能保证入射的激光穿透透明活性基底1605到达金属纳米森林结构601。
[0045]具体过程为:将器件的透明活性基底1605面朝上放置于拉曼散射光谱激光光路路径内，激光穿透透明活性基1605到达金属纳米森林结构601，产生表面等离子体振荡效应。由于被测物质或分子被吸附于金属纳米森林结构601的表面，因此表面等离子体振荡效应对其有效，继而可测试得到SERS谱线，由谱线中的峰所在位置对应的波数获得被测试剂中所含物质或分子的成分，由峰的强度得到物质或分子的浓度。
[0046]上述的微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，可以通过下述实施例1以及实施例2的具体工艺步骤得到，下述实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
[0047]实施例1
第一基片101采用玻璃材料，第二基片201为玻璃片；第一微流通道基板801采用单晶硅片；所述微流通道结构层1606材料为聚二甲基硅氧烷。其中，第一基片101用于最终在其表面得到金属纳米森林结构601 ;第二基片201用于实现镂空结构；第一微流通道基板801用于制作微流通道模具901。具体步骤为:
步骤1、在第一基片101上制备基于金属纳米森林结构601的表面增强拉曼散射活性基底，即制备得到透明活性基底1605，透明活性基底1605上至少设置一个金属纳米森林结构601。
[0048]其具体步骤为:
Ι-a、准备并清洗第一基片101、第二基片201和第一微流通道基板801 ；
在结构加工之前，准备第一基片101、第二基片201和第一微流通道基板801，并进行清洗。如图1所示为准备的第一基片101，图8所示为准备的第一微流通道基板801，并对其进行清洗后的结果。
[0049]Ι-b、在所述第二基片201上设置穿通结构203，并在第二基片201下表面设置第一基片相似材料层202，以形成镂空基片； 如图2所示，通过激光打孔的方法在第二基片201上形成穿通结构203，穿通结构203为贯通第二基片201的通孔，穿通结构203的宽度为60 μm~500 μm，优选120 μπι。随后采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)技术在第二基片201的上表面淀积一层非晶硅作为第一基片相似材料层202，所述非晶硅层的厚度为0.5ym~3ym?因穿通结构203开口较大，所以PECVD的非晶硅不会填堵开口使之闭合。PECVD方法制备非晶硅的条件为:压强为2300mTorr，气体流量为硅烷30sccm，工作频率为13MHz，功率为15W。
[0050]1-c、将上述镂空基片以第一基片相似材料层202面朝下粘贴到所述第一基片101上，通过粘贴胶带301使第一基片101上表面和镂空基片下表面之间引入一定的距离；
如图3所示，将以上得到的镂空基片以第一基片相似材料层202面朝下粘贴到第一基片101上，粘贴过程中，使第一基片101与第二基片201的对准边相互对准，基片边缘亦相互对准；用粘贴胶带301粘贴两层基片时在两表面之间引进一定的距离，即在第二基片201与第一基片101之间形成一段距离，即引入距离302，此引入距离302将改变刻蚀气体等离子体在通孔内不同位置的浓度。
[0051]Ι-d、采用各向异性刻蚀技术穿过所述镂空基片上的穿通结构203对所述第一基片101上表面进行刻蚀，在第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内形成纳米森林结构501 ；
如图4和图5所示，采用各向异性RIE技术穿过所述镂空基片上的穿通结构203对第一基片101表面进行刻蚀，得到玻璃材料的纳米森林结构501。所得到的玻璃材料的纳米森林结构501高度为200nm-2 μ m，优选I μ m。RIE第一基片101时采用的气体为Ar/CF4/CHFJg合气体，流量为300/15/35sccm，RF功率为450W，腔体压力设为250mTorr，刻蚀时间为 30-180s，优选 60s。
[0052]Ι-e、在所述粘贴了镂空基片的第一基片101上溅射金属材料；
如图6所示，在所述粘贴了镂空基片的第一基片101上溅射金属材料，所述金属层为Ag，厚度为5-30nm，优选10nm。由于镂空基片的存在，相当于在第一基片101上设置了掩模层，使得仅在纳米森林结构501的表面上覆盖金属层，形成金属纳米森林结构601，而在第一基片101上表面的其余位置不覆盖金属材料，也即形成了金属纳米森林结构601的图形化。在第二基片201上形成基片金属层602。
[0053]Ι-f、将所述镂空基片从溅射金属层后的所述第一基片101上表面揭除，在第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内得到金属纳米森林结构601。
[0054]如图7所示，将所述镂空基片从实现了图形化金属纳米森林结构601的所述第一基片101上表面揭除，在所述第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内得到金属纳米森林结构601的图形，继而得到表面增强拉曼散射透明基底，即得到透明活性体701，利用透明活性体701能形成后续的透明活性基底1605。
[0055]步骤2、制备含有至少一个检测微流通道1201的微流通道结构层1606 ;其中，所述每个检测微流通道1201的宽度不小于所述步骤I所述金属纳米森林结构601在所述透明活性基底1605上占据的宽度；
制备微流通道结构层1606包括如下步骤:
2-a、在第一微流通道基板801表面旋涂一层光刻胶后，对所得光刻胶层进行前烘处理，然后在所述光刻胶层上曝光，显影后得到与所述步骤l_b所述穿通结构203相对应的光刻胶图形；
2_b、以所述步骤2-a所得光刻胶图形为掩模，对所述第一微流通道基板801进行各向异性刻蚀，然后除去所述第一微流通道基板801上的光刻胶图形，得到微流通道模具901 ;
如图9所示，在第一微流通道基板801的单晶硅片上表面旋涂一层光刻胶后，对所述光刻胶层进行前烘处理，然后在所述光刻胶层上曝光，显影后得到与所述步骤ι-b所述穿通结构203相对应的光刻胶图形；此后，以所述光刻胶图形为掩模，对所述第一微流通道基板801进行各向异性刻蚀；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除第一微流通道基板801表面的光刻胶，得到微流通道模具901。本发明实施例中，前烘的主要目的是将胶烘干，用于曝光，前烘的具体工艺条件为本【技术领域】人员所熟知，此处不再赘述。
[0056]2-c、以聚二甲基硅氧烷材料的预聚体1001浇注所述步骤2-b所得微流通道模具901，使聚二甲基硅氧烷交联固化，得到聚二甲基硅氧烷的聚合体1101，然后将聚二甲基硅氧烷的聚合体1101从所述微流通道模具901上剥离，并在每个微流通道相应位置制作至少一对聚合体开口 1102，得到所述含有至少一个检测微流通道1201的微流通道结构层1606 ；
如图10和图11所示，将所述带有微流通道模具901的第一微流通道基板801置于预定体积的容器中，将充分混合并已去除气泡的聚二甲基硅氧烷的预聚体1001倒在该模具上，在60°C的烘箱中烘焙60分钟使聚二甲基硅氧烷交联固化，得到聚二甲基硅氧烷的聚合体1101，再将带有检测微流通道1201的聚二甲基硅氧烷聚合体1101从第一微流通道基板801上剥离，并在每个微流通道相应位置通过机械打孔的方式制作至少一对聚合体开口 1102，得到所述微流通道结构层1606。本发明实施例中，聚合体1101与微流通道模具901相对应的位置能形成检测微流通道1201，聚合体开口 1102包括入液口 1601以及出液口 1603，入液口 1601、出液口 1603分别位于形成检测微流通道1201的两端，并与所述检测微流通道1201相连通。此时，聚合体1101形成第一微流通道结构体1202，通过第一微流通道结构体1202能形成微流通道结构层1606。
[0057]步骤3、将所述步骤I所得透明活性基底1605与所述步骤2所得微流通道结构层1606对准键合，所述微流通道结构层1606内的检测微流道1201位于透明活性基底1605上金属纳米森林结构601的正上方，即得到所述微流控表面增强拉曼散射透明器件。
[0058]将如图12所示，带有聚合体开口 1102的聚二甲基硅氧烷的聚合体1101结构面朝上放入功率为250 W，氧气流速为30 sccm的氧等离子体轰击腔体中，对聚二甲基硅氧烷的聚合体1101的表面进行10 s的轰击，并迅速将聚二甲基硅氧烷的聚合体1101的结构面与如图7所示的透明活性基底上表面对准贴合，使之在化学键的作用下实现键合(如图12所示)，得到所述微流控表面增强拉曼散射透明器件。
[0059]实施例2
第一基片101采用玻璃片；第二基片201为单晶硅片；第二微流通道基板1301采用玻璃片；所述微流通道结构层1606材料为玻璃。其中，第一基片101用于最终在其表面得到金属纳米森林结构601 ;第二基片201用于实现镂空结构；第二微流通道基板1301用于制作微流通道结构层1606。
[0060]步骤1、在第一基片101上制备基于金属纳米森林结构601的表面增强拉曼散射活性基底，即制备得到透明活性基底1605，透明活性基底1605上至少设置一个金属纳米森林结构601。
[0061]其具体步骤为:
Ι-a、准备并清洗第一基片101、第二基片201和第二微流通道基板1301 ；
在结构加工之前，准备第一基片101、第二基片201和第二微流通道基板1301，并对基片进行清洗。如图1所示为准备的第一基片101，图13所示为准备的第二微流通道基板1301，并对其进行清洗后的结果。
[0062]Ι-b、在所述第二基片201上设置穿通结构203，并在第二基片201下表面设置第一基片相似材料层202，形成镂空基片；
如图2所示，通过在第二基片201的表面利用低压化学气相沉积(LPCVD)技术在硅衬底表面生长一层500nm-3 μπι的二氧化硅作为刻蚀掩模层，随后在刻蚀掩模层上表面旋涂光刻胶，并通过光刻工艺在光刻胶层上形成条形开口，随后利用RIESi02的方法将光刻胶上条形开口的图形转移到刻蚀掩模层上，形成位于刻蚀掩模层上的条形开口图形，即形成衬底刻蚀窗口 ；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除刻蚀掩模层表面的光刻胶；采用DRIE技术各向异性刻蚀第二基片201，将刻蚀掩模层上的条形开口图形转移到第二基片201上，形成第二基片201上的条形穿通结构203，其宽度为60^111-500 ^111，优选120^111。残留的刻蚀掩模层同时形成第一基片相似材料层202。RIE硅衬底时采用的刻蚀气体为C4F8和SF 6交替的气体，其流量分别为550和1000 sccm, RF功率为2000 W，腔体压力为150 HiTorr0
[0063]1-c、将所述镂空基片以第一基片相似材料层202面朝下粘贴到所述第一基片101上，通过粘贴胶带301使第一基片101上表面和镂空基片下表面之间引入一定的距离；
如图3所示，将以上得到的镂空基片以第一基片相似材料层202面朝下粘贴到第一基片101上，粘贴过程中，使第一基片101与第二基片201的对准边相互对准，基片边缘亦相互对准；用粘贴胶带301粘贴两层基片时在两表面之间引进一定的距离，即在第二基片201与第一基片101之间形成一段距离，即引入距离302，此引入距离302将改变刻蚀气体等离子体在通孔内不同位置的浓度。
[0064]Ι-d、采用各向异性刻蚀技术穿过所述镂空基片上的穿通结构203对所述第一基片101上表面进行刻蚀，在第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内形成纳米森林结构501 ；
如图4和图5所示，采用各向异性RIE技术穿过所述镂空基片上的穿通结构203对第一基片101表面进行刻蚀，得到玻璃材料纳米森林结构501。所得到的玻璃材料纳米森林结构501高度为200nm-2 μ m，优选I μ m。RIE第一基片101时采用的气体为Ar/CF4/CHF^g合气体，流量为300/15/35sccm，RF功率为450W，腔体压力设为250mTorr，刻蚀时间为30_180s，优选60s。
[0065]Ι-e、在所述粘贴了镂空基片的第一基片101上溅射金属材料；
如图6所示，在所述粘贴了镂空基片的第一基片101上溅射金属材料，所述金属层为Ag，厚度为5-100nm，优选50nm。由于镂空基片的存在，相当于在第一基片101上设置了掩模层，使得仅在纳米森林结构501的表面上覆盖金属层，形成金属纳米森林结构601，而在第一基片101上表面的其余位置不覆盖金属层，也即形成了金属纳米森林结构601的图形化。
[0066]1-f、将所述镂空基片从溅射金属层后的所述第一基片101上表面揭除，在第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内得到金属纳米森林结构601。
[0067]如图7所示，将所述镂空基片从实现了图形化金属纳米森林结构601的所述第一基片101上表面揭除，在所述第一基片101上表面与所述穿通结构203对应的区域内得到金属纳米森林结构601的图形，继而得到基于表面增强拉曼散射透明基底，即得到透明活性体701，利用透明活性体701形成后续的透明活性基底1605。
[0068]步骤2、制备含有至少一个检测微流通道1201的微流通道结构层1606 ;其中，所述每个检测微流通道1201的宽度不小于所述步骤I所述金属纳米森林结构601在所述透明活性基底1605上占据的宽度；
包括如下步骤:
2-a、在第二微流通道基板1301表面旋涂一层光刻胶后，对所述光刻胶层进行前烘处理，然后在所述光刻胶层上曝光，显影后得到与所述步骤l_b中所述穿通结构203对应相反的光刻胶图形；
2_b、以所述步骤2-a中所得光刻胶图形为掩模，对所述第二微流通道基板1301进行各向异性刻蚀，然后除去所述第二微流通道基板1301上的光刻胶图形；
2-c、在每个微流通道相应位置制作至少一对入液口 1601、出液口 1603，得到所述含有至少一个检测微流通道1201的微流通道结构层1606 ;
图14所示，在用作第二微流通道基板1301的玻璃片上表面旋涂一层光刻胶后，对所述光刻胶层进行前烘处理，然后在所述光刻胶层上曝光，显影后得到与所述步骤ι-b所述穿通结构203对应相反的光刻胶图形；此后，以所述光刻胶图形为掩模，对所述第二微流通道基板1301进行各向异性刻蚀；利用氧等离子体干法去胶与硫酸/双氧水湿法去胶相结合的方法去除第二微流通道基板1301表面的光刻胶，得到微流通道结构1401。RIE第二微流通道基板1301玻璃材料时采用的气体为八17^?4/(:册3混合气体，流量为300/15/35SCCm，RF功率为450W，腔体压力设为250mTorr。
[0069]在每个微流通道相应位置通过激光打孔的方式制作至少一对入液口 1601、出液口1603，即得到含有至少一个检测微流通道1201的微流通道结构层1606。
[0070]步骤3、将所述步骤I所得透明活性基底1605与所述步骤2所得微流通道结构层1606对准键合，所述检测微流通道1201与所述金属纳米森林结构601之间形成微流通道体，所述微流通道结构层1606内的检测微流道1201位于透明活性基底1605上金属纳米森林结构601的正上方，即得到所述微流控表面增强拉曼散射透明器件。
[0071]如图15所示，采用静电键合的方式将微流通道结构层1606与透明活性基底1605套准后键合在一起，得到所述微流控表面增强拉曼散射透明器件。
[0072]本发明由透明活性基底1605以及支撑在所述透明活性基底1605上的微流通道结构层1606形成微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，微流通道结构层1606内的检测微流道1201位于透明活性基底1605上的金属纳米森林结构601的正上方，透明活性基底1605能允许可见光透过，微流通道结构层1606可以采用可见光透光材料或可见光不可透光材料。该器件结构及其制备方法成品率高、成本低廉、检测一致性好、无噪声干扰、可实时监测的微流控表面增强拉曼散射透明器件，可用于大体积、晶体类待分析物的检测。
【权利要求】
1.一种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，其特征是:包括透明活性基底(1605)以及支撑在所述透明活性基底(1605)上的微流通道结构层(1606)，在所述微流通道结构层(1606)内设置若干检测微流道(1201)，所述检测微流道(1201)与微流通道结构层(1606)上的入液口( 1601)以及出液口( 1603)相连通；透明活性基底(1605)与检测微流道(1201)相对应的区域表面上均设置有金属纳米森林结构(601 )，所述金属纳米森林结构(601)位于入液口(1601)与出液口(1603)之间。
2.根据权利要求1所述的微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，其特征是:所述透明活性基底(1605)和纳米森林结构(501)为对用于产生拉曼光谱信号的激光可透过，透过率的范围为20%-100%。
3.根据权利要求1或2所述的微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，其特征是:所述检测微流道(1201)在同一个微流控表面增强拉曼散射透明器件结构中的数量为2-20条。
4.根据权利要求3所述的微流控表面增强拉曼散射透明器件结构，其特征是:所述金属层的厚度为5~30nm，纳米森林结构(501)中每个纳米结构的直径小于300nm，每个纳米结构的高度为100nm~2 μπι。
5.—种微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是，所述拉曼散射透明器件结构的制备方法包括如下步骤: (a)、提供透明活性基底(1605)，在所述透明活性基底(1605)上通过间隙引入非均匀刻蚀的方法设置若干金属纳米森林结构(601)； (b)、提供微通道基板，并利用所述微通道基板制备得到微流通道结构层(1606)，所述微流通道结构层(1606)内具有与金属纳米森林结构(601)数量相一致的检测微流道(1201 )，检测微流道(1201)与微流通道结构层(1606)上的入液口( 1601)与出液口( 1603)相连通； (C)、将上述透明活性基底(1605)与微流通道结构层(1606)对准键合，微流通道结构层(1606)支撑在透明活性基底(1605)上，且所述检测微流道(1201)位于金属纳米森林结构(601)的正上方。
6.根据权利要求5所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是:所述入液口(1601)内设有入液管(1602)，在出液口(1603)内设有出液管(1604)。
7.根据权利要求5所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是，所述步骤(b)中，微流通道结构层(1606)的材料为聚二甲基硅氧烷时，微流通道结构层(1606)通过如下步骤制备得到: (2-a)、提供第一微通道基板(801)，并在所述第一微通道基板(801)表面涂覆光刻胶，且对所述光刻胶进行曝光，以得到所需的光刻胶图形； (2-b)、利用第一微通道基板(801)上的光刻胶图形为掩膜，对所述第一微通道基板(801)进行各向异性刻蚀，去除第一微通道基板(801)上的光刻胶图形，以在所述第一微通道基板(801)上得到微流通道模具(901); (2-c)、以聚二甲基硅氧烷为材料的预聚体(1001)浇注在上述第一微通道基板(801)上，使聚二甲基硅氧烷的预聚体(1001)交联固化，以在第一微通道基板(801)上得到聚合体(1101);将上述聚合体(1101)从第一微通道基板(801)上剥离，聚合体(1101)内与微流通道模具(901)相对应的位置形成检测微流道(1201 )，在所述检测微流道(1201)的两端制备与所述检测微流道(1201)相连通的聚合体开口( 1102)。
8.根据权利要求7所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是，所述步骤(b)中，微流通道结构层(1606)的材料为硅或玻璃时，微流通道结构层(1606)通过如下步骤制备得到: (2-a’)、提供第二微通道基板(1301)，并在所述第二微通道基板(1301)的表面旋涂光刻胶，并对所述光刻胶进行曝光显影，以在第二微通道基板(1301)上得到所需的光刻胶图形； (2-b’)、以上述第二微通道基板(1301)上的光刻胶图形为掩膜，对第二微通道基板(1301)进行各向异性刻蚀，在去除第二微通道基板(1301)上的光刻胶图形后，得到所需的检测微通道(1201); (2-c’)、在每个检测微通道(1201)的两端设置入液口(1601)以及出液口(1603)，以得到微通道结构层(1606)。
9.根据权利要求5所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是，所述金属纳米森林结构(601)的宽度不大于所述金属纳米森林结构(601)正上方的检测微流道(1201)的宽度；金属纳米森林结构(601)的高度方向垂直于透明活性基底(1605)； 所述金属纳米森林结构(601)包括纳米森林结构(501)以及覆盖在所述纳米森林结构(501)上的金属层，所述金属层的材料为金、铂或银。
10.根据权利要求5所述微流控表面增强拉曼散射透明器件结构的制备方法，其特征是:所述透明活性基底(1605)的材料包括玻璃，玻璃的厚度为200 μπι-2πιπι。
【文档编号】G01N21/65GK104515765SQ201410831060
【公开日】2015年4月15日 申请日期:2014年12月26日 优先权日:2014年12月26日
【发明者】毛海央, 吴文刚, 欧文 申请人:江苏物联网研究发展中心, 南京瑟斯检测科技有限公司
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