一种利用表面等离子芯片的计算芯片成像生物传感平台的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及用于疾病筛查和流行病的预防领域的生物传感器，特别设利用表面等 离子模式的表面等离子巧片的计算巧片成像生物传感平台。
【背景技术】
[0002] 有效的诊断和检查对于疾病筛查和流行病的预防是至关重要的。目前大多数的医 疗检查手段都是耗时且伴随价格昂贵的化学过程，尤其在发展中国家，急切需要一种有效 的、易操作的检测手段。
[0003] 生物传感器化iosensor)是对生物物质敏感并将其浓度转换为电信号进行检测 的仪器，是由生物敏感材料作识别元件（如酶、抗体、核酸等生物活性物质）与适当的理化 换能器（如氧电极、光敏管等）及信号放大装置构成的分析工具或系统。
[0004] 但是，目前，生物传感器的广泛应用仍面临着一些困难，如活性强、选择性高的生 物传感元件的选择；信号检测器的使用寿命的提高；信号转换器的使用寿命的提高；生物 响应的稳定性和生物传感器的微型化、便携式等问题。
[0005] 本发明利用表面等离子谐振技术，无需复杂、耗时、昂贵的化学反应过程，解决了 利用化学反应的生物传感器的一系列难题。
【发明内容】
[0006] 本发明提供一种利用表面等离子巧片的计算巧片成像生物传感平台，该传感平台 重量轻，紧凑，可作现场护理和诊断工具，可提供实时检测结果，不需专业医护人。
[0007] 本发明通过W下技术方案实现：
[000引一种利用表面等离子巧片的计算巧片成像生物传感平台，包括表面等离子巧片和 CCD图像传感器，所述的表面等离子巧片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个微阵 列像素组成，所述的微阵列像素上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每个微阵列像 素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元，相邻 的微阵列像素单元间无金属膜间隔，所述的表面等离子巧片作为传感巧片，CCD图像传感器 作为探测元件，CCD图像传感器直接贴装在表面等离子巧片的玻璃基底的背面，CCD图像传 感器用来记录微阵列像素的金属纳米线结构的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白 质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。
[0009] 所述的表面等离子巧片的微阵列像素在X方向为一维像素阵列，Y方向为多个此 一维像素阵列的排列。
[0010] 所述的表面等离子巧片周期阵列衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图 像传感器记录的表面等离子模式即为SP(-1，0)模式的衍射图案。
[001U 所述的表面等离子巧片是由厚H= 1mm的玻璃基底12和厚h = 50皿金属膜层上 制作的至少一个微阵列像素，每个微阵列像素尺寸长LX宽D = 100 y mX 100 y m，由线宽d =150皿、周期T = 300皿的金属纳米线阵列组成，所述的LD照明光源的峰值控制在638皿， 带宽为12nm。
[0012] 本发明制作的微阵列像素是分立的金属纳米线结构，限制热传导，提高纳米结构 的光热效应；光热效应产生的特定温度梯度场，在进行蛋白质膜层样本分析时，结合金属纳 米线阵列结构的光学作用力和热作用力，提高纳米粒子的操控效率，能够探测的分子层厚 度可小到纳米量级。本生物传感平台结构紧凑、重量轻、无透镜集成巧片成像、无化学反应 过程、无标记探测的特点。
【附图说明】：
[0013] 下面结合附图对本发明的【具体实施方式】作进一步详细说明。
[0014] 图1是本发明的表面等离子体巧片立体示意图；
[0015] 图2是本发明的表面等离子体巧片横截面示意图（A-A);
[0016] 图3是本发明的表面等离子体巧片阵列结构平面示意图；
[0017] 图4是本发明的表面等离子体巧片阵列结构立体示意图；
[0018] 图5是本发明的表面等离子体巧片纳米线周围温度梯度横截面示意图；
[0019] 图6是本发明的表面等离子体巧片纳米线周围温度梯度平面示意图；
[0020] 图7是本发明的无透镜计算巧片成像传感平台原理图；
[0021] 图8是本发明的手持式高通量生物传感器的分解图；
[0022] 图9是本发明的手持式高通量生物传感器的照明原理图。
【具体实施方式】
[0023] 表面等离子体（Surface Plasmons，SPs)是指在金属表面存在的自由振动的电子 与光子相互作用产生的沿着金属表面传播的电子疏密波。
[0024] 表面等离子体共振是一种物理光学现象。它利用光在玻璃与金属薄膜界面处发生 全内反射时渗透到金属薄膜内的消逝波，引发金属中的自由电子产生表面等离子体，在入 射角或波长为某一适当值的条件下，表面等离子体与消逝波的频率与波数相等，二者将发 生共振，入射光被吸收，使反射光能量急剧下降，在反射光谱上出现反射强度最低值，此即 为共振峰。吸收的光子能一部分转换为金属离子的内能，从而产生了光热效应。
[0025] 光热效应是由于金属对光的吸收作用，当金属吸收光后，部分会转换为焦耳热，从 而光能转换为热能，即光热效应。光热效应引起的纳米线周期温度场。该一温度场将使纳 米粒子产生特定运动。通过设计特定的纳米结构和分析纳米结构的温度梯度及温度梯度下 纳米粒子运动规律，将有助于纳米粒子的探测和操控。
[0026] 在进行蛋白质膜层样本分析时，传统的对纳米粒子的操控的研究主要利用为光学 作用力，而热作用力却被忽略。光学作用力是指光与金属纳米线结构的相互作用发生谐振 后产生的力。热作用力则是指金属纳米线结构强烈吸收光后，产生的热效应。因为热效应 产生的温度变化通常只有几度，所W常被忽略。
[0027] 但近期研究发现，在微纳范围内，由于金属对光的吸收产生的热效应对粒子的布 朗运动有很大的影响，因此，光热效应对粒子操控的效率和准确度影响是可观的，忽略热效 应将对粒子分析和操控精度产生较大影响。更重要的是，光学作用力与粒子的体积有关，当 粒子体积小时，光学诱捕力变小，粒子很容易逃逸。热作用力与光学作用力结合，有利于该 些体积小粒子的诱捕力增加和提高诱捕效率，基于此研究成果，从而提出本发明的表面等 离子巧片。
[002引一、表面等离子巧片及制备
[0029] 如图1、图2、图3、图4所示，本发明中表面等离子巧片1的基底为光学玻璃，由LIL 方法制备。为了增加衍射图像透过率，首先在玻璃基底12上沉积=层介质，分别为抗反射 薄膜、二氧化娃薄膜和光刻胶薄膜。然后，在该些膜层上面利用电子束汽化方法沉积50nm 的金膜层。最后，将多余的金膜层从抗反射薄膜层除去，留下宽150nm、周期300nm的金膜线 阵结构。
[0030] 如图1、图2、图3、图4所不，表面等罔子巧片1由厚H = 1mm的玻璃基底12和厚 h = 50nm金属膜层11上制作的微阵列像素13组成，在微阵列像素13上面可附着被测的单 层或双层蛋白质膜层，每个微阵列像素13尺寸长LX宽D = lOOymXlOOym，由线宽d = 150皿、周期T = 300皿的金属纳米线14阵列组成，每个微阵列像素13的在X方向和Y方 向均为分立单元，相邻的微阵列像素13单元间有lym的无金属膜间隔15、16。每个微阵 列像素13大在X方向一维像素阵列，Y方向为多个此一维像素阵列的排列，如图3、图4所 示，同一玻璃基底12上制作X方向的一维像素阵列狂方向延展），而在Y方向是将该些制 作好的一维像素的排列（Y方向延展）。
[0031] 在W往的表面等离子周期结构设计中，都尽量的避免光热效应的影响，因此用到 的金属结构都为连续结构，利用金属的良好热传导而将光热效应引起的局部热量传递出 去，即忽略光热效应的影响。
[0032] 然而本发明的表面等离子巧片1的若干微阵列像素中，采用隔离的块状周期结 构，即独立的微阵列像素，使光热效应引起的热量局域在一定范围，并在该局域范围通过热 传导完成热量传递，形成特定温度场，蛋白质分子将在此温度场下做特定运动，并与光学效 应相结合，增强了探测效率。
[0033] 所述的纳米结构光热效应为；当等离子共振发生时，入射光被强烈吸收，吸收的光 子能一部分产生谐振，另一部分转换为金属离子的内能，产生热量向周围介质扩散。不同强 度I的入射光被吸收的效率由吸收截面0 abs决定。为了容易理解，我们从焦耳热效应出发， 得到产生热源的密度P(r)表示为
[0034]
【主权项】
1. 一种利用表面等离子芯片的计算芯片成像生物传感平台，其特征在于：包括表面等 离子芯片和CCD图像传感器，所述的表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至 少一个微阵列像素组成，所述的微阵列像素上面可附着被测的单层或双层蛋白质膜层，每 个微阵列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分 立单元，相邻的微阵列像素单元间无金属膜间隔，所述的表面等离子芯片作为传感芯片， CCD图像传感器作为探测元件，CCD图像传感器直接贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的 背面，CCD图像传感器用来记录微阵列像素的金属纳米线结构的衍射图像，通过分析衍射图 像得到被测蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。
2. 根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等 离子芯片的微阵列像素在X方向为一维像素阵列，Y方向为多个此一维像素阵列的排列。
3. 根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等 离子芯片周期阵列衍射图样采用SP(-1，0)表面等离子模式，CCD图像传感器记录的表面等 呙子模式即为SP(_1，0)模式的衍射图案。
4. 根据权利要求1所述的一种手持式高通量生物传感器，其特征在于：所述的表面等 离子芯片是由厚H = Imm的玻璃基底12和厚h = 50nm金属膜层上制作的至少一个微阵 列像素，每个微阵列像素尺寸长LX宽D = ΙΟΟμπιΧΙΟΟμπι，由线宽d = 150nm、周期T = 300nm的金属纳米线阵列组成，所述的LD照明光源的峰值控制在638nm，带宽为12nm。
【专利摘要】本发明公开一种利用表面等离子芯片的计算芯片成像生物传感平台，包括表面等离子芯片和CCD图像传感器，表面等离子芯片是由玻璃基底的金属膜层上制作的至少一个微阵列像素组成，每个微阵列像素由周期的金属纳米线阵列组成，每个微阵列像素的在X方向和Y方向均为分立单元，表面等离子芯片作为传感芯片，CCD图像传感器作为探测元件，CCD图像传感器贴装在表面等离子芯片的玻璃基底的背面，用来记录微阵列像素的衍射图像，通过分析衍射图像得到被测蛋白质膜层的浓度或分子间相互作用的信息。本生物传感平台结构紧凑、重量轻、无透镜集成芯片成像、无化学反应过程、无标记探测的特点。
【IPC分类】G01N21-552, G01N21-25
【公开号】CN104568850
【申请号】CN201410856743
【发明人】武京治, 王艳红, 赵宇, 王高
【申请人】中北大学
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月25日