专利名称：一种基于周期性纳米结构的生物传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种生物传感器，尤其涉及一种基于周期性纳米结构的生物传感器及其制备方法。
背景技术：
表面等离子体是一种在金属和介质界面上传播的电磁波，由入射光场与金属表面电子相互作用产生。表面等离子体的共振条件对金属表面介质的折射率微小变化非常敏感。表面等离子体共振生物传感器是表征生物分子相互作用的主要工具。表面等离子体共振生物传感器的基本原理是通过记录表面等离子体共振角或共振波长的变化，来实现对表面待测分析物折射率的检测。与其它类型的生物传感器相比，基于表面等离子体共振的生物传感器通过检测样本折射率的改变来识别样本，不需要荧光标签或者其他标签，能够对生物样品进行原位、无损且无标记的检测，因此表面等离子体生物传感器是无污染的高灵 敏度生物传感器。目前基于表面等离子体的生物传感器一般采用Kretschmann棱镜结构，p偏振光经过棱镜以一定角度入射到棱镜与金属膜的界面。对于一定的入射角度和光波长，棱镜提供入射电磁波和表面等离子体之间的波矢匹配。然而,Kretschmann棱镜结构体积庞大,不易集成和携带。
发明内容
本发明针对目前基于表面等离子体的生物传感器采用的Kretschmann棱镜结构存在的上述不足，提供一种基于周期性纳米结构的表面等离子体共振生物传感器及其制备方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下一种基于周期性纳米结构的生物传感器为表面等离子体共振生物传感器，其包括衬底、贵金属薄膜和周期性纳米结构，所述贵金属薄膜设置于衬底上，所述周期性纳米结构设置于贵金属薄膜上，所述周期性纳米结构包括多行等间距分布且相互平行的通孔结构，所述周期性纳米结构用于提供激发表面等离子体所需的波矢匹配。在上述技术方案的基础上，本发明还可以做如下改进。进一步，所述每个通孔结构包括多个等间距分布的通孔，所述周期性纳米结构的厚度为250纳米 550纳米。进一步，所述通孔的形状为圆形或者正方形。进一步，所述通孔的边长或者直径为300纳米 600纳米，所述通孔结构之间的间距为550纳米 800纳米，所述通孔之间的间距为550纳米 800纳米。进一步，所述衬底为固体材料、有机自支撑薄膜或者无机自支撑薄膜。进一步，所述固体材料为熔融石英、普通玻璃、有机玻璃或者硅，所述有机自支撑薄膜为聚酰亚胺薄膜，所述无机自支撑薄膜为碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
进一步，所述贵金属薄膜的材料为金、银或者铝，所述贵金属薄膜的厚度为20纳米 70纳米。本发明还提供一种解决上述技术问题的技术方案如下一种基于周期性纳米结构的生物传感器的制备方法包括以下步骤
步骤一在经过清洁处理后的衬底上利用电子束蒸发形成贵金属薄膜；
步骤二 在所述贵金属薄膜上形成介质层；
步骤三在所述介质层上形成多个周期性排列的通孔从而形成周期性纳米结构。所述步骤二形成介质层的方法为生长或者旋涂。进一步，当所述介质层为氮化硅或者碳化硅时，所述介质层上的多个周期性排列 的通孔是在介质层上旋涂一层电子束抗蚀剂Zep520A或PMMA，再利用电子束直写得到抗蚀剂周期性图形之后，以抗蚀剂为掩蔽干法刻蚀介质层，再去除抗蚀剂之后而得到的。进一步，当所述介质层为在贵金属薄膜上涂覆电子束抗蚀剂Zep520A或PMMA后，再经过热处理固化而形成时，所述介质层上的多个周期性排列的通孔是利用电子束直写介质层上周期孔图形，再经过显影、定影和热处理而得到的。本发明的有益效果是本发明基于周期性纳米结构的生物传感器能够克服传统生物传感器体积庞大的缺点，提供激发表面等离子体所需的波矢匹配，并且所有的制作工艺同标准的半导体工艺兼容，制作工艺简单，体积较小且易于集成。
图I为本发明实施例基于周期性纳米结构的生物传感器的结构示意 图2为本发明实施例周期性纳米结构的结构示意 图3为本发明实施例周期性纳米结构不同周期大小时的反射特性 图4为本发明基于周期性纳米结构的生物传感器制备方法实施例一的流程示意 图5为本发明基于周期性纳米结构的生物传感器制备方法实施例二的流程示意图。
具体实施例方式以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。如图I所示，所述基于周期性纳米结构表面等离子体共振的生物传感器包括衬底I、贵金属薄膜2和周期性纳米结构3。所述贵金属薄膜2设置于衬底I上，所述周期性纳米结构3设置于贵金属薄膜2上。所述衬底I可以为熔融石英、普通玻璃、有机玻璃或者硅，也可以为有机或者无机自支撑薄膜包括聚酰亚胺薄膜、碳化硅薄膜、氮化硅薄膜等。所述贵金属薄膜的成分可以为金、银、铝等金属。所述基于周期性纳米结构表面等离子体共振的生物传感器在使用时，将待测液体4放在周期性纳米结构3上，光源5和半反半透镜7设置于生物传感器的上方，光源5和半反半透镜7位于同一水平面上，光谱仪6设置于半反半透镜7的正上方。光源5发出的探测光垂直入射到周期性纳米结构3上；周期性纳米结构3上分布有多个周期性阵列排列的通孔，使得探测光垂直入射到多个周期性阵列排列的通孔上。测量过程为光源5发出的探测光照射到半反半透镜7上，经过7的反射垂直照到周期性纳米结构3上面的待测液体4中，从待测液体4中反射出来的光经过半反半透镜7被光谱仪6接收，得到待测光谱结果，用该结果同没有放置待测液的光谱结果相比较，得到待测液的折射率。如图2所示，周期性纳米结构3包括至少两行等间距分布且相互平行的通孔结构，每个通孔结构包括至少两个等间距分布的通孔，周期性纳米结构3用于提供激发表面等离子体所需的波矢匹配，贵金属薄膜2的厚度设计为20到70纳米，周期性纳米结构3的厚度250到550纳米，通孔的形状为圆形或者正方形，在本实施例中，通孔的形状为正方形，方孔的边长为300到600纳米，相邻两个方孔之间的距离为550到800纳米。如图3所示，为本发明实施例中选取不同周期大小的周期性纳米结构的反射谱特性图。所用表面等离子体共振生物传感器结构中金膜厚度为55纳米，周期性纳米结构的厚度为400纳米，介质方孔的边长为465纳米，相邻两个方孔之间的距离P分别为550，600、650和700纳米。从图3可以看出，随周期增大，表面等离子体共振波长红移。周期纳米介质结构的这种特性使我们可以根据需要制作不同周期大小的纳米结构，满足不同波长情况下的测量。
如图4和图5所示，图4和图5为本发明实施例中生物传感器的制作方法流程图
1)在清洁处理好的固体衬底上利用电子束蒸发20纳米到70纳米的贵金属薄膜；
2)介质层可以为氮化硅或者碳化硅，也可以为电子束抗蚀剂Z印520A或PMMA，经过热处理固化；
3)如果介质层为电子束抗蚀剂Zep520A或PMMA，利用电子束直写介质上周期孔图形，显影，定影，热处理得到周期介质结构；如果介质层为氮化硅或者碳化硅，在该层结构上再旋涂一层电子束抗蚀剂Zep520A或PMMA，利用电子束直写得到抗蚀剂周期图形之后，以抗蚀剂为掩蔽干法刻蚀介质层，去除抗蚀剂之后得到介质周期结构。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
权利要求
1.一种基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述生物传感器为表面等离子体共振生物传感器，其包括衬底、贵金属薄膜和周期性纳米结构，所述贵金属薄膜设置于衬底上，所述周期性纳米结构设置于贵金属薄膜上，所述周期性纳米结构包括多行等间距分布且相互平行的通孔结构，所述周期性纳米结构用于提供激发表面等离子体所需的波矢匹配。
2.根据权利要求I所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述每个通孔结构包括多个等间距分布的通孔，所述周期性纳米结构的厚度为250纳米 550纳米。
3.根据权利要求2所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述通孔的形状为圆形或者正方形。
4.根据权利要求3所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述通孔的边长或者直径为300纳米 600纳米，所述通孔结构之间的间距为550纳米 800纳米，所述通孔之间的间距为550纳米 800纳米。
5.根据权利要求I所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述衬底为固体材料、有机自支撑薄膜或者无机自支撑薄膜。
6.根据权利要求5所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述固体材料为熔融石英、普通玻璃、有机玻璃或者硅，所述有机自支撑薄膜为聚酰亚胺薄膜，所述无机自支撑薄膜为碳化硅薄膜或者氮化硅薄膜。
7.根据权利要求I所述的基于周期性纳米结构的生物传感器，其特征在于，所述贵金属薄膜的材料为金、银或者铝，所述贵金属薄膜的厚度为20纳米 70纳米。
8.一种基于周期性纳米结构的生物传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤 步骤ー在经过清洁处理后的衬底上利用电子束蒸发形成贵金属薄膜； 步骤ニ 在所述贵金属薄膜上形成介质层； 步骤三在所述介质层上形成多个周期性排列的通孔从而形成周期性纳米结构。
9.根据权利要求8所述的基于周期性纳米结构的生物传感器的制备方法，其特征在于，当所述介质层为氮化硅或者碳化硅时，所述介质层上的多个周期性排列的通孔是在介质层上旋涂ー层电子束抗蚀剂Zep520A或PMMA，再利用电子束直写得到抗蚀剂周期性图形之后，以抗蚀剂为掩蔽干法刻蚀介质层，再去除抗蚀剂之后而得到的。
10.根据权利要求8所述的基于周期性纳米结构的生物传感器的制备方法，其特征在干，当所述介质层为在贵金属薄膜上涂覆电子束抗蚀剂Z印520A或PMMA后，再经过热处理固化而形成时，所述介质层上的多个周期性排列的通孔是利用电子束直写介质层上周期孔图形，再经过显影、定影和热处理而得到的。
全文摘要
本发明涉及一种基于周期性纳米结构的生物传感器及其制备方法。所述生物传感器为表面等离子体共振生物传感器，其包括衬底、贵金属薄膜和周期性纳米结构，所述贵金属薄膜设置于衬底上，所述周期性纳米结构设置于贵金属薄膜上，所述周期性纳米结构包括多行等间距分布且相互平行的通孔结构，所述周期性纳米结构用于提供激发表面等离子体所需的波矢匹配。本发明基于周期性纳米结构的生物传感器能够克服传统生物传感器体积庞大的缺点，提供激发表面等离子体所需的波矢匹配，并且所有的制作工艺同标准的半导体工艺兼容，制作工艺简单，体积较小且易于集成。
文档编号G01N21/55GK102798615SQ20111013321
公开日2012年11月28日 申请日期2011年5月23日 优先权日2011年5月23日
发明者李海亮, 史丽娜, 朱效立, 李冬梅, 谢常青, 刘明 申请人:中国科学院微电子研究所
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