一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法技术

本发明专利技术涉及一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法，包括由下自上依次生长的衬底层、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。本发明专利技术将具有高电场束缚等特殊传播特性的人工表面等离激元与超材料相结合，利用人工表面等离激元的局域电场增强与流体和光方向一致性提升检测灵敏度，检测范围最大可0到10THz；利用人工表面等离激元上的电容性超材料进一步增强局域电场，利用超材料谐振峰强度和频率的移动来进行检测，提升了芯片的检测灵敏度，检测范围在0到10THz之间。

【技术实现步骤摘要】
一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法
本专利技术涉及一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构及其制备、检测方法，属于电磁场与微波技术和液体检测技术的交叉

技术介绍
表面等离激元是一种产生于金属和介质分界面的传输型表面波，其电场沿金属表面法线方向呈现指数规律衰减，具有局域电场增强、工作波长小、高频截止、无衍射极限等特殊传播特性，在物质检测、小型化天线、超分辨率成像和亚波长电路等方向有极大的应用前景。由于局域电场增强作用，基于表面等离激元的探测器件具有高灵敏度、超快响应速度、无需标记样品、小型化等特点，因此在生物/液体检测领域拥有广泛的应用前景。传统的表面等离激元依赖于光学波段金属的负相对介电常数特性，然而金属在太赫兹及其以下频段表现为完美电导体，所以表面等离激元在自然界中只存在于可见光和近红外波段。这类表面等离激元检测是通过棱镜激发金属表面的等离激元，体积庞大且不易集成化。随着光子技术的发展，具有孔状或锯齿状结构的人工结构被用于模拟可见光波段金属的等离子特性，实现了类似表面等离激元的高频截止色散特性，将这种具有独特性质的表面波模式引入太赫兹及其以下频段，即“人工表面等离激元”。人工表面等离激元是慢波，具有波长短、局域电场增强的特性。由于许多有机大分子的转动和分子间振动的光谱“指纹峰”在太赫兹波段(0.1-10THz)，所以太赫兹人工表面等离激元在DNA、有机分子、癌细胞等的检测方面有着独特的应用。相比于传统表面等离激元，人工表面等离激元在生物和有机溶液检测方面具有许多优势，例如水吸收强，对浓度具有更高的检测灵敏度；激励结构简单，易于平面集成和小型化；与微流控芯片兼容性强，便于进行高通量检测。目前，在生物医学和有机物检测领域常用检测技术可以分为化学方法、物理方法和光谱方法。其中，化学方法检测速度慢，成本高，诸如气相色谱法、高效液相色谱法、离子交换色谱法等；物理方法无法实现实时检测，诸如质谱分析法、核磁共振法(包括氢谱和碳谱)等；光谱方法缺少穿透性，检测准确率不高，诸如拉曼光谱法、红外光谱法、紫外可见光谱法等，这三类检测方法均无法满足生物医学和有机物检测实时、高速、高灵敏度的要求。而人工表面等离激元检测所采用的频谱分析方法是一种将复信号分解为较简单信号的技术。频谱是指一个时域的信号在频域下的表示方式，许多物质的物理信号均可以表示为许多不同频率简单信号的复合，通过分析信号在不同频率下幅度、功率、强度、相位等信息，可以获得待检测物质的物理和化学信息。相对于其他检测手段来说，频谱分析在检测时具有非电离、高分辨率、高灵敏度等极为优越的特点。为了进一步提高频谱检测技术的灵敏度和减小样本消耗量，在微米尺寸级别集成了样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元的微流控芯片被提出用于处理和分析样本，从而优化检测过程，其具有体积小、通量高、灵敏度高、样本分析时间短、样本需求量少、可控性强等优势。现有的微流控技术主要集中在光学波段和10GHz以下的微波频段。相比于光学波段，太赫兹波具有光子能量低、可无损检测、穿透性高、频谱宽、覆盖多数物质的特征谱、极易被水等极性分子吸收等特性，适合于生物医学成像，使得太赫兹在生物领域的应用出现出欣欣向荣的研究趋势。其中，许多生物和有机大分子的分子间振动和分子转动能级可以在太赫兹波段产生指纹峰，使得太赫兹频谱能探测到这些分子的构型等信息。通过将人工表面等离激元的局域电场增强作用和微流控的优势在太赫兹频段进行结合，可以在芯片上对生物和有机大分子样本种类和样本浓度实现高精度、高灵敏度的无标记指纹识别。但是现有的太赫兹频谱检测方法是通过对比超材料结构在待检测液体覆盖前后对太赫兹空间波的响应变化来实现，这种方式对太赫兹波仅具有单重响应，分辨率和灵敏度较低。综上所述，人工表面等离激元和微流控技术的结合对于有机分子和生物细胞检测具有重要意义。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术提供了一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构；本专利技术还提供了上述基于基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法及其检测方法。本专利技术提出了一种基于人工表面等离激元的微流控检测芯片及其检测方法，通过将人工表面等离激元与微流控技术结合，实现对生物分子和有机分子溶液的样本浓度的检测。在传统的空间光路测量中，微流控方向与光传播方向垂直，探测有效面积小，所以探测灵敏度较低。在人工表面等离激元芯片中，微流控方向可与光传播方向相同，探测有效面积大，可以获得更高的灵敏度。在人工表面等离激元中引入电容性超材料，可以在电容位置进一步增强局域电场，并且电容性超材料阵列周期排布方向和人工表面等离激元波传输方向的一致性也会使得该芯片中的超材料对待检测溶液具有多重响应，实现更高的探测灵敏度，通过观察电容性超材料的谐振频率和强度变化，可以对被检测物质的浓度进行标定。本专利技术通过在衬底表面利用光刻、电子束蒸发蒸镀和剥离技术制备人工表面等离激元和超材料结构，利用人工表面等离激元传输线和超材料器件其平面工艺兼容特点，通过键合工艺将微流通道结构等微流控模块集成到人工表面等离激元表面。通过电容性超材料结构与人工表面等离激元的结合来研究物质成分和浓度的变化(对应谐振峰的变化)，最后大量检测构建不同组分和浓度的指纹峰数据库。该微流控检测芯片及其检测方法具有体积小、加工简单、实时检测、微量检测和检测范围广等优势，在物质检测领域具有广泛的应用前景。术语解释：1、开口谐振环结构，是一种亚波长大小且具有线性缺口的环形结构，可以有效改变介质材料的电磁特性，如图2所示；2、电容电感谐振超材料结构，是一种将两个开口谐振环并联形成的超材料结构，如图3所示；3、开口谐振环阵列结构，是基于开口谐振环结构的周期性分布阵列，阵列结构引入的多重响应可以进一步提高基于开口谐振环结构检测芯片的检测灵敏度，如图4所示；4、电容电感谐振超材料阵列结构，是基于电容电感谐振超材料结构的周期性分布阵列，阵列结构引入的多重响应可以进一步提高基于电容电感谐振超材料结构检测芯片的检测灵敏度，如图5所示。本专利技术的技术方案为：一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，包括由下自上依次生长的衬底层、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。根据本专利技术优选的，所述电容性超材料结构为开口谐振环结构、电容电感谐振超材料结构、开口谐振环阵列结构或电容电感谐振超材料阵列结构。根据本专利技术优选的，具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层中每个开口谐振环单元均被微流通道层中的一条微流控通道覆盖。微流控通道仅覆盖开口谐振环结构中的电容性结构，尽量减少检测液体通过微流控通道时与人工表面等离激元传输线的接触，从而提高检测的准确性和灵敏度。根据本专利技术优选的，所有微流控通道的入口即阀门注入孔和所有微流控通道的出口即阀门输出孔分别设置在微流控检测芯片结构的两侧。在微流控通道中设置阀门本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，包括由下自上依次生长的衬底层、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，包括由下自上依次生长的衬底层、具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层、微流通道层。


2.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述电容性超材料结构为开口谐振环结构、电容电感谐振超材料结构、开口谐振环阵列结构或电容电感谐振超材料阵列结构。


3.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层中每个开口谐振环单元均被微流通道层中的一条微流控通道覆盖。


4.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所有微流控通道的入口即阀门注入孔和所有微流控通道的出口即阀门输出孔分别设置在微流控检测芯片结构的两侧。


5.根据权利要求1所述的一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层的材质包括Ti/Au。


6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构，其特征在于，所述微流通道层的材质包括聚二甲基硅氧烷材料；所述衬底层的材质为厚度为200微米的高阻硅衬底。


7.权利要求1-6任一所述的基于电容性超材料结构的人工表面等离激元的微流控检测芯片结构的制备方法，其特征在于，包括步骤如下：
①清洗衬底层并旋涂光刻胶；
②利用光刻技术，在步骤②旋涂有光刻胶的衬底层上定义所述具有电容性超材料结构的人工表面等离激元金属层图形，并显影图形；
③利用...

【专利技术属性】
技术研发人员：张翼飞，凌昊天，宋爱民，王卿璞，
申请(专利权)人：山东大学，
类型：发明
国别省市：山东;37