一种光波导传感芯片、其制备方法及用图
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种光波导传感芯片的制备方法、由该方法制备的光波导传感芯片及 其用途，特别是涉及一种以金膜为基底的介孔二氧化硅纳米柱阵列结构的光波导传感芯片 的制备方法，以及该芯片在小分子和重金属离子检测方面的用途。
【背景技术】
[0002] 光学生物传感器具有检测灵敏度高、动态检测范围大、检测下限低等优点，在许多 领域得到应用，包括在生物医药研宄、环境监控，医疗诊断等领域。在光学生物传感器中， 基于检测折射率变化的光学生物传感器应用较为广泛。其中，表面等离子体共振传感器是 非标记光学生物传感器中研宄和应用最为广泛的一种，对其表面介质折射率变化灵敏度很 高，但消逝波的穿透深度只有l〇〇nm左右，限制了其在生物大分子检测方面的应用。光波导 传感器在表面等离子体传感器三层结构基础上添加波导层，形成玻璃、金属层、波导层和介 质层四层结构。光波导传感器利用消逝波在波导层内部发生全反射时激发光波导模式。光 波导模式表现出的反射率角度谱半高宽窄，同时二维或者三维纳米结构的波导层具有更广 阔的吸附表面积，大大提高了生物分子的检测灵敏度，使得光波导传感器在生物分子特异 性结合检测方面应用较为广泛。
[0003] 目前发展比较成熟的应用于光波导传感器的纳米结构薄膜材料主要有多孔阳极 氧化铝薄膜、多孔二氧化钛薄膜、介孔二氧化硅薄膜、水凝胶薄膜以及一些以阳极氧化铝为 模板填充不同材料制作的纳米柱（管）阵列薄膜等，然而以往制备的应用于光波导传感器 的纳米结构薄膜材料都有一定的缺陷，例如氧化铝酸碱稳定性差，介孔二氧化硅孔径太小 应用受限，以及目前制备纳米柱阵列薄膜方法复杂、花费高、难合成等。在我们之前的发明 中，通过循环溶胶凝胶操作在阳极氧化铝表面一层一层的吸附二氧化硅来形成的二氧化硅 纳米管阵列薄膜，制备过程复杂，不易于大规模生产。
【发明内容】
[0004] 本发明的主要目的在于针对现有技术的不足，提出一种光波导传感芯片的制备方 法、由该方法制备的光波导传感芯片及其用途。
[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0006] 一种光波导传感芯片的制备方法，包括以下步骤：
[0007] (1)将金膜基底浸入巯基硅烷的有机溶液中处理；
[0008] (2)将经步骤（1)处理后的金膜基底用酸溶液处理；
[0009] (3)将多孔的阳极氧化铝薄膜粘贴于经步骤（2)处理后的金膜表面；
[0010] (4)将经步骤（3)得到的粘贴于金膜表面的多孔的氧化铝膜浸入十六烷基三甲基 溴化铵（CTAB)、水、乙醇、浓氨水和正硅酸乙酯（TE0S)的混合溶液中，静置一段时间；
[0011] (5)将经步骤⑷得到的产品用酸性有机溶液处理以去除步骤⑷中的方法所制 作出的产品中的CTAB，步骤（5)为优选的而非必需的；
[0012] (6)将经前一步骤处理后的产品用酸溶液处理以去除多孔的氧化铝膜。
[0013] 进一步地：
[0014] 在步骤（1)中，所述金膜为通过磁控溅射或蒸发镀膜的方法在玻璃基底表面镀一 层厚度为40-50nm的金层，优选为40-45nm〇
[0015] 在步骤（1)中，所述的巯基硅烷的有机溶液为（3-巯基丙基）三甲氧基硅烷的有 机溶液，该溶液的浓度为l-20mmol/L，优选为15-20mmol/L ;有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙 酮，优选溶剂为乙醇；金膜在溶液中浸泡的时间为3h以上，优选为5-10h。
[0016] 在步骤⑵中，所述酸溶液为0. lmol/L的HC1水溶液；金膜基底在溶液中浸泡时 间为l-10h，优选为2-5h。
[0017] 在步骤（3)中，将多孔的阳极氧化铝薄膜和经步骤（2)所得的金膜基底浸渍于丙 酮与水的混合溶液中，丙酮与水的体积比可为1: (1-2)，优选为1:1 ;
[0018] 待多孔的氧化铝薄膜覆盖到金膜基底上后，先常温下干燥12_48h，优选为 24-30h，再在真空干燥箱中100-130°C下干燥20min，优选温度为110-120°C。
[0019] 在步骤⑷中，所用的混合溶液中，乙醇：水：浓氨水（质量分数为25% ) :TE0S 的体积比为（15-17) : (33-35) : (0? 005-0. 01) :0? 04,优选体积比为 15:35:0. 005:0. 04,每 50mL混合溶液中添加（0. 08-0. 12) g的CTAB，优选为0. 08g ;静置温度为60-70°C，优选为 63-65°C，静置时间为3-72h，优选为72h ;优选将经混合溶液浸泡后的样品在100°C下干燥 6-24h，更优选为8-12h。
[0020] 在步骤（5)中，所用的酸性有机溶液为HC1有机溶液，HC1的浓度为0. 05-0. 5mol/ L，优选浓度为0. lmol/L，有机溶剂选自甲醇、乙醇、丙酮，优选为乙醇，优选加以搅拌，优选 搅拌速度为50-200r/min，更优选为100r/min，搅拌时间为10-30min，优选为lOmin ;
[0021] 优选地，步骤（5)重复至少三次。
[0022] 在步骤（6)中，所用的酸溶液为磷酸溶液，溶液中磷酸的质量分数为5-15%，优选 为10-12%，浸泡处理12-48h，优选为20-24h。
[0023] -种光波导传感芯片，是根据所述的方法制备的基于纳米柱阵列薄膜的光波导传 感芯片。
[0024] -种光波导传感芯片的用途，将所述的方法制备的基于纳米柱阵列薄膜的光波导 传感芯片应用于非标记光学生物检测或重金属离子检测。
[0025] 本发明的有益效果：
[0026] 本发明提供了一种新的基于介孔二氧化硅纳米柱阵列结构的光波导传感芯片的 制备方法，以及其在重金属离子检测方面中的应用。在本发明中，将金膜基底浸入巯基硅烷 的乙醇溶液处理，再用酸溶液处理，可以在金膜表面修饰羟基使金膜表面亲水，然后将多孔 的氧化铝薄膜粘贴于亲水的金膜表面，使金膜表面亲水的目的是增强氧化铝薄膜与金膜的 连接。再将粘贴于金膜表面的多孔氧化铝膜浸入St6ber溶液中得到介孔二氧化硅纳米柱， 然后优选用酸性的乙醇溶液通过溶剂萃取法除去介孔二氧化硅内的表面活性剂，最后将得 到的以金膜为基底的氧化铝孔-二氧化硅纳米柱的混合结构薄膜浸泡于酸溶液中得到介 孔二氧化硅纳米柱阵列结构的光波导传感芯片。本发明提供的方法易于在基底上制备三维 结构的纳米柱（管）阵列，并且柱（管）的尺寸可控，可用作于光波导传感芯片进行高灵敏 度、非标记检测。本发明提供的方法易于在各种基底上制备纳米柱阵列，并且柱（管）的 尺寸精确可控，可应用于光波导传感芯片进行非标记光学生物检测或重金属离子检测，检 测灵敏度高。通过本发明的方法制备介孔二氧化硅纳米柱阵列薄膜，可控性高、制备工艺简 单、易于大规模生产。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明实施例1制备的介孔二氧化硅纳米柱阵列结构的光波导传感芯片界 面的扫描电子显微镜图（SEM)，1为介孔二氧化硅盖子层，2为介孔二氧化硅纳米柱阵列层， 3为金层，4为玻璃基底；
[0028] 图2是本发明实施例1中使用的多孔的氧化铝薄膜的表面扫描电子显微镜图 (SEM)；
[0029] 图3是按照实施例1的方法制备的介孔二氧化硅纳米柱阵列薄膜的光波导传感芯 片按照应用例1和应用例2的方法检测Pb 2+的动力学曲线图，横坐标为时间，纵坐标为反射 率值。图中，5表示应用例1对应的曲线，6表示应用例2对应的曲线，7、8、9、10、11、12、13 分别代表通入传感器表面的的Pb(N0 3)2溶液的浓度为0. 1、0. 2、0. 5、1、2、10、100 yM