一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器及其制备方法

技术领域

本发明属光学传感技术领域，涉及一种用于反射干涉传感器的硅微纳结构的设计及制备。

背景技术

反射干涉光学传感器是基于光波(或通过介质)与待测物质的相互作用，因光学性质的变化而引起反射干涉光谱的变化，进而反演待测物的浓度或种类，在药物传输、医学诊断、环境监测、食品安全和基因测序等领域具有极广泛的应用。对于生物/化学分子的检测，包括有害分子/离子的检测越来越向着实时、快速、低检测限和宽检测范围发展。

目前，国内外面向生物/化学分子检测的光学传感技术大体可分为三种，即荧光光谱法、表面等离子体共振(SPR)和反射干涉光谱法。其中，荧光光谱法容易受到探针荧光猝灭或自身荧光引起的干扰；SPR技术对复杂环境中生物/化学分子选择性检测的能力较差，且缺乏实时性；而反射干涉光谱传感器则表现出低检测限、高灵敏度、实时性好，检测浓度范围广等优势。目前反射干涉光学传感器主要基于多孔材料(如多孔硅、多孔氧化铝、多孔氧化钛等)，其中，基于多孔硅的光学传感器的研究最为广泛。然而，该类传感器具有很明显的缺点，主要原因为多孔材料的制备方法通常为电化学阳极腐蚀法，所制得的纳米孔的直径小、可调控范围小，从而限制了传感物质的范围；此外，待测物质在半封闭的纳米孔内流通不顺，会影响传感器的响应时间和灵敏度，干扰分子容易堵塞纳米孔道，且随着多孔层厚度的增加而表现出越不利的影响。对于该类传感器无法在复杂环境中实现目标分子选择性检测的问题，通常办法在多孔表面修饰探针分子(即敏感元)，但由于敏感机理固有的滞后效益，传感易受外界干扰，从而降低传感灵敏度。

发明内容

本发明为解决现有技术中基于传统多孔材料的反射干涉传感器，由于多孔材料的孔径尺寸随机分布、大小不均匀、及纳米孔呈半封闭状而导致对目标分子无法实现选择性检测、检测范围有限、响应时间长的问题。采用的技术方案如下：

一种基于反射干涉光谱技术的硅基光学传感器，所述的硅基为杂化结构，沿着复合光入射方向依次包括有序硅纳米线阵列层、无序多孔硅层、平面硅基底；其中有序硅纳米线阵列由非实心的纳米线周期性排列而成，且每根纳米线内部设置有随机分布的纳米孔；无序多孔硅层处于有序硅纳米线阵列层下方，该层设有呈树枝状随机分布的纳米孔，且纳米孔的最大直径小于纳米线的直径和最小间距；平面硅基底为实心结构，处于无序多孔硅层下方。

一种基于反射干涉光谱技术的硅基光学传感器制备方法，在实心结构的平面硅基底上通过光刻技术和湿法腐蚀或干法刻蚀硅技术制备有序硅纳米线阵列层；有序硅纳米线的直径、间距和周期通过光刻工艺过程中的参数来控制，有序硅纳米线的长度通过湿法腐蚀或干法刻蚀硅工艺过程中的参数来控制；以有序硅纳米线阵列/平面硅基底的复合结构为基底，通过电化学阳极腐蚀硅在每根纳米线内部制备随机分布的纳米孔，且在平面硅基底与有序硅纳米线阵列接触面一侧制备呈树枝状随机分布的纳米孔；平面硅基底上被电化学阳极腐蚀出呈树枝状随机分布的纳米孔的区域即为无序多孔硅层，纳米孔的直径和长度通过电化学阳极腐蚀硅工艺中的参数来控制；所述的有序硅纳米线经过电化学阳极腐蚀后，纳米线由原来的实心结构变成了多孔结构，单根纳米线内部引入了呈树枝状随机分布的纳米孔，但纳米线的直径、间距和周期保持不变。平面硅基底上被电化学阳极腐蚀出呈树枝状随机分布的纳米孔的区域由原来的实心结构变为多孔结构，该区域即为无序多孔硅层，平面硅基底上未被电化学阳极腐蚀部分仍为实心结构。被电化学阳极腐蚀后无序多孔硅层中的纳米孔与有序硅纳米线中的纳米孔在直径、分布和形貌方面并无明显差异；所有纳米孔整体构成树枝状分布的微管通道。

在本发明方案中，硅基杂化结构的反射干涉传感器在对目标小分子检测时，由于有序硅纳米线阵列层中纳米线间能确保所有分子在该层顺利流通，而只有小分子才能进入树枝状分布的微管通道，因此有序硅纳米线阵列层的等效折射率包含了目标小分子和干扰大分子的信息，而无序多孔硅层的等效折射率只包含目标小分子的信息。对反射干涉光谱进行快速傅里叶变换(FFT)处理，不同特征峰的位移分别对应着不同结构层的等效折射率的改变。与双层无序多孔硅结构相比，本发明方案所设计的硅基杂化结构不仅明显增强了待测液的流通性和传感器灵敏度，还降低了响应时间；与单层有序硅纳米线阵列结构(或单层无序多孔硅纳米结构)相比，具有同时检测目标小分子和干扰大分子的优势。

对于所述的硅基杂化结构，入射复合光在有序硅纳米线阵列层的表面、有序硅纳米线阵列层与多孔硅层的界面、以及多孔硅层与平面硅基底的界面处均能产生反射信号，不同界面或表面处对应的反射光相互干涉而形成反射干涉条纹。得到的反射干涉信号的强度和干涉峰的波长与有序硅纳米线阵列层和无序多孔硅层的厚度及等效折射率有关，经过FFT处理可得到三个特征峰，通过分析这三个特征峰的移动，可以反演有序硅纳米线阵列层和无序多孔硅层的等效折射率变化。

上述方案中：有序硅纳米线阵列层中纳米线间隔在20nm至10μm，无序多孔硅层中的纳米孔尺寸为2nm至20nm。优选地，所述的有序硅纳米线阵列层厚度为500nm～10μm，硅纳米线阵列呈六方或四方排布，纳米线直径为100nm～2000nm，相邻硅纳米线之间的最小间隔为50nm～4000nm。

优选地，所述的无序多孔硅层厚度为100nm～50μm，孔隙率为30％～90％。

优选地，所述的有序硅纳米线阵列层中纳米线之间的间隔、无序多孔硅层中纳米孔的直径依据目标分子和干扰分子的尺寸来设计和制备。

优选地，所述的平面硅基底为p型掺杂，电阻率为0.001～100Ω·cm，厚度为20μm～1000μm。

本申请还公开了一种用于反射干涉光学传感器的硅基杂化结构的制备方法，包括：

在实心结构的平面硅基底选用单面抛光p型单晶硅，在其抛光面自组装形成单层密排聚苯乙烯球；利用等离子刻蚀技术减小聚苯乙烯球，将其直径变为为原始值的30％～90％；利用电子束蒸镀技术先沉积一层2～5nm钛，再沉积一层20～50nm金；去除聚苯乙烯球；采用金属辅助化学腐蚀硅技术制备硅纳米线阵列；去除残留的钛/金薄膜，得到有序硅纳米线阵列层；以有序硅纳米线阵列/平面硅基底的复合结构为基底进行电化学阳极腐蚀；对电化学阳极腐蚀后的样品进行清洗和干燥处理，得到平面硅基底上的有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层结构；在空气中进行热氧化处理，热处理温度为500～900℃，处理时间为0.2～2小时。

技术效果

采用本技术发明的方案，有序硅纳米线阵列层的周期、直径、间隔和厚度能在20nm至10μm范围内精确控制，这对含有目标分子和干扰分子的待测液在多孔结构中的流通具有显著增强作用，是实现目标小分子选择性测试、干扰大分子快速检测的前提条件。此外，后续电化学阳极腐蚀制备的无序多孔硅层，其多孔纳米结构的直径只能在2nm至20nm范围内变化，且整体尺寸远小于有序硅纳米线的直径和间隔，可确保目标小分子进入多孔层，而干扰大分子则不能。采用本技术方案，还可以保证在制备无序多孔硅层时，之前制得的有序硅纳米线阵列层的整体结构不被破坏，即实现有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层杂化结构的完整性与独立性。当采用本发明方案制备的杂化结构用于反射干涉传感测试时，只有小分子可以渗透到杂化结构的底层(即无序多孔硅层)，而目标小分子和干扰大分子可同时渗入杂化结构的顶层(即有序硅纳米线阵列层)。对反射干涉光谱进行FFT处理，不同特征峰的位移分别对应不同结构层的等效折射率的改变。通过数据处理与分析，可定量计算出目标小分子和干扰大分子的浓度。与之相比的双层无序多孔硅纳米结构，顶层无序硅的纳米孔尺寸变化范围小、均匀性差，导致纳米孔易被干扰分子堵塞而目标分子渗入受阻；而对于单层无序多孔硅结构或单层有序硅纳米线阵列结构，由于干扰大分子不能渗入纳米孔或大小分子同时渗入有序硅纳米线的间隔，导致大分子和小分子不能选择性或同时检测。

附图说明

图1：硅基杂化结构的示意图与反射干涉原理图；

其中：10为入射的复合光，11为被有序硅纳米线阵列层表面(即界面1)反射的光线，12为被有序硅纳米线阵列/无序多孔硅界面(即界面2)反射的光线，13为被无序多孔硅/平面硅基底界面(即界面3)反射的光线，14为有序硅纳米线阵列层，15为多孔硅层，16为平面硅基底。

图2：硅基杂化结构在葡萄糖溶液中的典型反射干涉光谱图。

图3：硅基杂化结构在葡萄糖溶液中的典型FFT光谱图；

其中31为FFT特征峰1，32为FFT特征峰2，33为FFT特征峰3。

图4：有序硅纳米线阵列的截面电子显微镜图；

其中41为单层有序硅纳米线阵列。

图5：有序硅纳米线阵列的顶面电子显微镜图。

图6：硅基杂化结构的截面扫描电子显微镜图；

其中黑色方框区域对应的放大效果如图7。

图7：硅基杂化结构底部高倍电子显微镜图。

图8：硅基杂化结构顶面高倍电子显微镜图；

其中偏白区域对应单根纳米线顶端，偏黑区域为纳米线底端的间隙。

图9：硅基杂化结构的反射干涉光学传感系统示意图；

其中，91为光源，92为Y型光纤，93为光纤光谱仪，94为微型助推器；95为计算机系统，96为液体导管，97为硅基杂化结构。

图10：硅基杂化结构的反射干涉传感器在不同溶液中的实时测试数据；

其中，101～103分别对应FFT特征峰1～3；I～VIII分别表示PBS缓冲液、30mg/mL牛血清蛋白溶液、50mg/mL牛血清蛋白溶液、50mg/mL葡萄糖、100mg/mL葡萄糖、50mg/mL葡萄糖+30mg/mL牛血清蛋白溶液、50mg/mL葡萄糖+50mg/ml牛血清蛋白溶液和30mg/mL牛血清蛋白溶液+100mg/mL葡萄糖。

图11：基于不同硅纳米结构的反射干涉传感器传感葡萄糖的灵敏度对比图；

其中，111对应有序硅纳米线阵列/无序多孔硅的杂化结构，112对应双层多孔硅结构。

图12：双层无序多孔硅的结构示意图；

其中121为孔隙率较大的顶层多孔硅结构，122为孔隙率较小的底层多孔硅结构。

图13：单层无序多孔硅的结构示意图；

其中131为单层多孔硅结构。

具体实施方式

为了更清楚地说明本技术方案，下面结合附图及实施例作进一步描述。

实施例一

一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器，其主体结构为有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层的杂化结构。如图1所示，沿着复合光10入射方向依次包括有序硅纳米线阵列层14、无序多孔硅层15、以及平面硅基底16；有序纳米线间隙和多孔硅的孔隙被待测液填充，待测液中含有的目标小分子和干扰大分子可在有序纳米线间隙流通，而多孔硅层的孔隙只有目标小分子可渗入。由于含有目标小分子和干扰大分子的待测液的浸没，导致有序硅纳米线阵列层和无序多孔层硅的等效折射率发生改变，且变化量与目标小分子和干扰大分子的浓度密切相关。当复合光近乎垂直地入射到被待测液浸没的有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层的杂化结构时，在有序硅纳米线阵列层的表面(即界面1)会形成反射光线11，经过有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层的界面2时会形成反射光线12，经过无序多孔硅层/硅基底界面3时会形成反射光线13，这些反射光线相互干涉，采用光谱仪收集和观测反射干涉光谱，典型结果如图2所示。经过FFT处理可得出含有三个特征峰的FFT光谱，如图3所示，其中31(特征峰1)对应图1中由界面1和界面2反射光而形成的干涉效应；32(特征峰2)对应图1中由界面2和界面3反射光而形成的干涉效应；33(特征峰3)对应图1中由界面1和界面3反射光而形成的干涉效应。通过分析这三个FFT特征峰的位移，可以反演出待测液中所含目标小分子和干扰大分子的浓度。

实施例二

一种用于反射干涉传感器的有序硅纳米线阵列/无序多孔硅杂化结构的制备方法，其制备步骤包括：

1)以单面抛光p型单晶硅为基底，对其进行清洗之后，在其抛光面自组装一层密排聚苯乙烯(PS)球，球的原始直径为1000nm；

2)利用电感耦合等离子刻蚀技术刻蚀PS球，刻蚀后PS球直径的400nm；

3)利用电子束蒸镀系统先沉积一层5nm Ti，再沉积一层40nm Au；

4)在四氢呋喃、三氯甲烷、乙醇和去离子水中各超声清洗15min以去除PS球；

5)以氢氟酸和过氧化氢混合溶液为腐蚀液对步骤4)所得样品进行化学腐蚀；

6)使用盐酸和硝酸的混合液去除剩余的Ti/Au薄膜，得到如图4(截面)和5(顶面)所示的有序硅纳米线阵列；

7)以有序硅纳米线阵列化硅为电化学腐蚀基底，在其背面涂上一层铟镓，对有序硅纳米线阵列化硅基底进行电化学阳极腐蚀，腐蚀液为氢氟酸和乙醇混合液，腐蚀电流为150mA，腐蚀时间为40s；

8)将电化学腐蚀后的样品进行清洗和干燥处理，得到有序硅纳米线阵列层/无序多孔硅层的杂化结构，微观结构如图6～8所示；

结合光源91(如：海洋光学卤钨灯，HL2000)、Y型光纤92(如：海洋光学，QR600-7-SR-125F)、光纤光谱仪93(如：海洋光学，USB4000)、微型助推器94、计算机95、液体导管96和传感器主体结构97，搭建出反射干涉传感系统，如图9所示。以磷酸(PBS)缓冲液为背景液，混入不同浓度的葡萄糖分子和牛血清蛋白分子，它们分别作为传感目标分子和干扰大分子。

牛血清蛋白分子能够进入有序硅纳米线阵列层中而不能进入多孔硅层中，葡萄糖分子能够同时进入有序硅纳米线阵列层和无序多孔硅层，进而使得相应层的折射率发生不同的改变，表现为FFT特征峰位置(即2倍的有效光学厚度)发生变化，杂化结构对应的三个特征峰分别对应图1中界面1与2、界面2与3、界面1与3所形成反射光而干涉的结果。通过图10可以看出，在溶液为30mg/mL和50mg/mL牛血清蛋白溶液(II和III)时，与PBS缓冲液I相比，底层多孔硅结构对应的FFT特征峰2位置并没有发生变化；同时以PBS缓冲液I为基线，50mg/ml葡萄糖IV、50mg/mL葡萄糖+30mg/mL牛血清蛋白溶液VI和50mg/mL葡萄糖+50mg/mL牛血清蛋白溶液VII为一组进行比较，即保持葡萄糖浓度不变，依次改变牛血清蛋白溶液浓度，FFT特征峰2位置几乎不发生移动，FFT特征峰1和3的位置均随着牛血清蛋白溶液浓度增大而右移。可以得出，在复杂环境中，传感目标小分子可以同时进入有序硅纳米线阵列和多孔硅层，而干扰大分子只能进入有序硅纳米线阵列，不能进入多孔硅层，因此该传感器可以选择性检测待测分子的浓度。类似地，保持牛血清蛋白溶液浓度不变，依次改变葡萄糖浓度，即以PBS缓冲液I为基线，选择II、VI和VIII为一组进行分析，也可得到相同的结论。

进一步地，该杂化结构能够实现在牛血清蛋白(30mg/mL)和不同浓度葡萄糖(2mmol/L～5mol/L)的混合溶液中葡萄糖浓度的实时、选择性测试。如图11所示，该杂化结构在2mmol/L～3mol/L浓度范围内的响应保持线性关系，在1M浓度变化下可产生303.7nm的响应，而基于双层无序多孔硅结构(结构示意图如图12所示)的传感器只能产生191.7nm的位移。本发明方案所制备的杂化结构与双层无序多孔硅结构(结构示意图如图12所示)相比，顶层纳米结构的间隙和孔隙率具有更大的调控范围，且能实现精准控制，从而带来更广的线性检测范围、更快的响应速度、更高的灵敏度和抗干扰能力等优势；与单层有序硅纳米线阵列结构(典型结构如图4和5所示)或单层无序多孔硅结构(结构示意图如图13所示)相比，所提出的基于杂化结构的光学传感器具有选择性检测分子的功能。

进一步地，若对所制备的杂化结构进行适当的热氧化处理，可以在硅纳米结构表面形成一层致密的氧化硅层，能显著提高硅基光学传感器的性能稳定性。此外，对多孔结构进行适当的扩孔处理(如重复进行热氧化处理和去氧化层处理)，可以进一步提高光学传感灵敏度。