CN110596037A - 一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法及其应用 - Google Patents
一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法及其应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明申请属于生物传感器技术领域，具体公开了一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备及其用于生物大分子的液相传感，包括以下步骤：(1)使用硅片制作成SRRs超材料备用；(2)选取硅片，在硅片上制作PDMS流道；(3)将步骤(1)中的SRRs超材料和步骤(2)中的PDMS流道键合制得太赫兹传感芯片；(4)检测多种高吸收性液体；(5)检测不同浓度的氧化低密度脂蛋白。本发明主要用于制备太赫兹传感芯片并利用其进行高吸收性溶液的传感，解决了太赫兹领域高吸收液体传感难度大，检测灵敏度低，实现了在液相环境下检测生物大分子。
Description
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，具体公开了一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法。
背景技术
太赫兹波是频率在0.1～10THz的电磁波，基于THz可以对生物物质进行无标记、非接触和无损检测。核酸、蛋白质等生物大分子之间弱的相互作用(如：氢键、范德华力等)、骨架振动及偶极子旋转等正好位于THZ频谱范围，每种生物大分子均具有特定THz波谱指纹，因此THz波能够探测到其他电磁波段无法获得的生物大分子组成、结构和功能等信息。THz波能够以一种纯物理过程、无需标记的方式在同一时间节点揭示多种生物大分子的结构和功能信息，从而可能为生物分子的无标记检测提供一种革命性新型技术手段。然而有些生物大分子在太赫兹范围内并没有特征性的吸收峰，限制了太赫兹生物传感的应用。
超材料(MMs)作为一种周期性排列的亚波长人工复合电磁材料，具有天然材料难以比拟的特性。一定结构的超材料可在太赫兹频域范围内激发出高品质的谐振峰，可以有效的进行物质的传感，提高检测的灵敏度。
水对太赫兹波具有强烈吸收，目前对于生物分子的传感大多在干燥条件下进行，但是生物大分子的发挥其生理功能离不开水的作用，因此寻找一种有效的水溶液中物质传感的方法是必要的。目前为了解决水对太赫兹的强烈吸收，高功率光源、棱镜、THz-TDS反射光谱、微流体技术应用到太赫兹传感过程中。但是由于高功率光源可能会加热样品，导致生物样品变性；反射光谱样品参数提取存在难度大、结果的重复性较差。随着微流体加工技术的发生发展，使得纳米级流体的加工成为可能。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，以解决太赫兹领域高吸收液体传感难度大，检测灵敏度低的问题。
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)使用硅片制作成SRRs超材料备用；
(2)选取硅片，在硅片上制作PDMS流道；
(3)将步骤(1)中的SRRs超材料和步骤(2)中带有PDMS流道键合制得太赫兹传感芯片。
进一步，步骤(1)中制作SRRs超材料包括以下步骤：a.衬底基片清洗：将裁剪好的硅片放入超声波清洗仪中清洗，取出后先用无水乙醇清洗再用去离子水漂洗干净，再用高压氮气把硅片表面吹干，再放入烘干箱；b.镀膜：在槽道表面镀厚度为120nm的金膜；c.涂胶：光刻胶均匀旋涂在金膜的表面，放入烘干箱烘干，在暗室中自然冷却；d.曝光：使用曝光机在均匀涂的表面进行周期性结构单元曝光；单元结构为单开口谐振环，长宽为26μm，线宽6μm，开口间隙2μm；e.显影：选取显影液行显影；f.后烘：对显影后的基片进行烘焙，去除残留水分和显影液，提高光刻胶与衬底基片之间粘附力；g.湿法刻蚀：采用湿法刻蚀刻蚀完成后，未被光刻胶保护的金膜被腐蚀掉，然后用去离子水冲洗，直至表面刻蚀混合液被清洗干净。
进一步，步骤(2)中PDMS流道包括以下步骤:a.制作阳模：利用光刻和化学腐蚀的办法，在硅板上做出阳模；b.浇筑：以PDMS预聚物浇筑阳模；c.固化：放置数小时等待PDMS固化；d.拔膜：将固化的PDMS与阳模剥离，即得到PDMS流道模型；e.打孔：孔直径为1mm。
进一步，步骤(2)中阳模尺寸为：外长15mm，内长7.2mm，外宽15mm，内宽7.2mm，高220nm。通过设置成长7.2mm、宽7.2mm是因为此区域制作有SRRs结构。同时为了匹配太赫兹检测的光斑，太赫兹检测光斑大小为5.5*5.5mm，为了保证加样时液体不能完全充满样本池时，仍能覆盖检测区域，不会对检测结果造成大的影响、故选择长7.2mm、宽7.2mm；高220nm是为了保证其通用性。生物分子包含大分子(1～100nm)和小分子(<1nm)，金膜厚度120nm，通道高度220nm，其高度差为100nm，可用于检测生物大分子，同时便于其清洗。
进一步，步骤(3)中键合包括以下步骤：a.⑴氧等离子体对PDMS和硅表面进行改性键合；b.后烘，增加键合的稳定性与牢固性。
一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的应用，检测纯水、乙醇、甲醇、异丙醇，计算其传感效率；同时检测葡糖糖溶液(小分子物质溶液，<1nm)、氧化低密度脂蛋白(大分子物质溶液，25nm左右)，确定生物分子传感的通用性。
本技术方案的工作原理及其有益效果在于：
(1)基于太赫兹波谱可以实现对生物物质进行无标记、非接触和无损检测。但是许多生物大分子在太赫兹波段内缺乏特异性吸收峰，故很难通过其指纹谱识别，其灵敏度受到限制，故通过引入太赫兹超材料以提高检测的灵敏度。太赫兹超材料是一种亚波长周期人工材料，通过合理的设计可以实现对光波的调制，得到特定的谐振峰，通过对超材料周围环境介电性的改变，谐振峰发生对应的移动，可实现对不同生物分子的传感，提高检测的灵敏度。
(2)水对太赫兹有强烈吸收，目前生物分子的检测主要在干燥环境下进行，但是生物大分子发挥正常生理作用必须在水环境中，因此寻找一种有效的水溶液中物质传感的方法是必要的，故通过引入微流体技术实现在液相环境中的检测。
(3)将检测体积限制到纳米级别，不仅可以减少水的吸收而且可以提高太赫兹超材料的检测效率，故通过制作纳米级流道，将检测体积限制到纳米级别，增加检测效率，提高检测灵敏度。
(4)微流体结合超材料的太赫兹传感芯片，大多使用组装芯片，组装芯片由于不稳定的结合，可能会导致结果的重复性，准确性受到影响，故此芯片将超材料与微流道键合，可确保每次加液量的一致，改善结果的准确性，重复性。
附图说明
图1是本发明一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法中PDMS流道与SRRs超材料键合结构模式图；
图2是本发明中的检测样本示意图；
图3是本发明中超材料的扫描电镜(SAM)图(600X)；
图4是本发明中通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的实物图；
图5是太赫兹芯片传感水、甲醇、乙醇、异丙醇的结果图；
图6是太赫兹芯片传感不同浓度的氧化低密度脂蛋白结果图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合图1-6进一步详细说明：
一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
(1)SRRs超材料制作
a.衬底基片清洗：将裁剪好的硅片放入超声波清洗仪中清洗，取出后先用无水乙醇清洗再用去离子水漂洗干净，再用高压氮气把硅片表面吹干，再放入烘干箱；b.镀膜：在槽道表面镀厚度为120nm的金膜；c.涂胶：光刻胶(SU-8)均匀旋涂在金膜的表面，放入烘干箱烘干，在暗室中自然冷却；d.曝光：使用曝光机在均匀涂的表面进行周期性结构单元曝光(结构见图1)；单元结构为单开口谐振环，长宽为26μm(L＝26μm)，线宽6μm(W＝6μm)，开口间隙2μm(g＝2μm)；e.显影：选取显影液行显影；f.后烘：对显影后的基片进行烘焙，去除残留水分和显影液，提高光刻胶与衬底基片之间粘附力；g.湿法刻蚀：采用湿法刻蚀刻蚀完成后，未被光刻胶保护的金膜被腐蚀掉，然后用去离子水冲洗，直至表面刻蚀混合液被清洗干净。
(2)PDMS流道制作(模塑法)
a.制作阳模：利用光刻和化学腐蚀的办法，在硅板上做出阳模(外长15mm，内长7.2mm，外宽15mm，内宽7.2mm，高220nm)；b.浇筑：以PDMS预聚物(PDMS：固化剂＝10：1)浇筑阳模；c.固化：放置数小时等待PDMS固化；d.拔膜：将固化的PDMS与阳模剥离，即得到PDMS流道模型；e.打孔：孔直径为1mm。
(3)PDMS流道与SRRs超材料键合
结合图1和图2所示：a.氧等离子体对PDMS和硅表面进行改性键合；b.后烘，增加键合的稳定性与牢固性。
一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的应用，利用此传感芯片去检测纯水、乙醇、甲醇、异丙醇、氧化低密度脂蛋白(大分子物质溶液，25nm左右)，以确定其传感效率。
具体实施过程如下：(1)1.将所制作太赫兹检测芯片置于太赫兹时域光谱(THz-TDS)检测。可在THz处观察到明显的谐振峰，记录其谐振频率(f)、谐振峰半高宽(FWHM)；
(2)将2微升液体通过加样器注入检测芯片中；
(3)THz-TDS检测，其谐振峰出现Hz的频移，记录其f、FWHM；
(4)通过出样口排出液体，超纯水冲洗三次，氮气吹干；
(5)同2中操作分别加入不同浓度氧化低密度脂蛋白溶液，THz-TDS检测；记录其，f、FWHM；
(6)通过出样口排出液体，超纯水冲洗三次，氮气吹干；
(7)计算此太赫兹传感芯片的传感性能：
a.Q＝f/FWHM；Q(品质因子)、f(谐振频率)、FWHM(谐振峰半高宽)；Q越大，传感器的灵敏度越高，分辨率越高。
b.S＝Δf/Δn；
本实施例中，S为灵敏度、Δf为谐振率变化量、Δn为折射率变化量；S越大，传感器的灵敏度越高。
c.FOM＝S*Q；
FOM为传感性能指标)、S为灵敏度、Q为品质因子；可有效客观衡量传感原理不同的传感器的指标。FOM越大，传感器的传感性能越好。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。
Claims (6)
1.一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)使用硅片制作成SRRs超材料备用；
(2)通过硅刻模具，制作PDMS流道；
(3)将步骤(1)中的SRRs超材料和步骤(2)中制备的PDMS流道键合制得太赫兹传感芯片。
2.根据权利要求1所述的一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制作SRRs超材料包括以下步骤：a.衬底基片清洗：将裁剪好的硅片放入超声波清洗仪中清洗，取出后先用无水乙醇清洗再用去离子水漂洗干净，再用高压氮气把硅片表面吹干，再放入烘干箱；b.镀膜：在槽道表面镀厚度为120nm的金膜；c.涂胶：光刻胶(SU-8)均匀旋涂在金膜的表面，放入烘干箱烘干，在暗室中自然冷却；d.曝光：使用曝光机在均匀涂满光刻胶的表面进行周期性结构单元曝光；单元结构为单开口谐振环，长、宽为26μm，线宽6μm，开口间隙2μm；e.显影：选取显影液行显影；f.后烘：对显影后的基片进行烘焙，去除残留水分和显影液，提高光刻胶与衬底基片之间粘附力；g.湿法刻蚀：采用湿法刻蚀刻蚀完成后，未被光刻胶保护的金膜被腐蚀掉，然后用去离子水冲洗，直至表面刻蚀混合液被清洗干净。
3.根据权利要求1所述的一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中PDMS流道包括以下步骤:a.制作阳模：利用光刻和化学腐蚀的办法，在硅板上做出阳模；b.浇筑：以PDMS预聚物浇筑阳模；c.固化：放置数小时等待PDMS固化；d.拔膜：将固化的PDMS与阳模剥离，得到PDMS流道模型；e.打孔：孔直径为1mm。
4.根据权利要求3所述的一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，其特征在于，步骤(2)中阳模尺寸为：外长15mm，内长7.2mm，外宽15mm，内宽7.2mm，高220nm。
5.根据权利要求1所述的一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的制备方法，步骤(3)中键合包括以下步骤：a.氧等离子体对PDMS和硅表面进行改性键合；b.后烘，增加键合的稳定性与牢固性。
6.一种通用型纳米级流体的生物分子太赫兹传感芯片的应用，其特征在于，能用于区分纯水、乙醇、甲醇、异丙醇，并实现对不同浓度的氧化低密度脂蛋白溶液的检测。
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