[发明专利]一种在微流控芯片中制备多级金属微纳结构的方法

说明书

技术领域

本发明属于微电子学与生命科学技术领域，具体涉及一种利用飞秒激光诱导金属银还原技术，在各种平面衬底及微流控芯片通道等非平面衬底上选择性制备或集成金属微纳结构的方法。

背景技术

微流控芯片技术(Microfluidics)又称生物芯片技术，是把生物、化学、医学分析过程的样品制备、反应、分离、检测等基本操作单元集成到一块微米尺度的芯片上，自动完成分析全过程。由于它在生物、化学、医学等领域的巨大潜力，该技术已经发展成为一个生物、化学、医学、流体、电子、材料、机械等学科交叉的崭新研究领域。微流控芯片具有液体流动可控、试剂消耗极少、分析速度显著提高等特点，它可以在几分钟甚至更短的时间内进行上百个样品的同时分析，并且可以在线实现样品的预处理及分析全过程。

用于芯片的微纳制造技术包括：由传统机械加工手段发展的精密及超精密机械加工技术、Si-MEMS技术、LIGA(光刻、电铸、塑铸)等技术。然而随着微流控芯片技术日新月异的发展，人们对微流控芯片提出更高、更多的智能化功能需求。但现有技术对于真三维芯片的制备无能为力，更无法在已有的微流控芯片通道内进行二次加工，进而实现对其功能的附加。尽管金属多级结构对于微流控芯片十分重要，目前仍然无法将金属微纳结构作为表面增强拉曼衬底或催化剂等其他功能选择性、局域化地集成固载于微流控芯片当中。在这种背景下，飞秒激光微纳加工技术被成功引入微流控芯片的制备与功能集成领域，为解决上述问题带来很大的希望。

激光微加工是一项精细的“直写”技术，可以实现微型器件的快速成型制造，其最大特点是不受微型器件或系统结构形状的限制，可以在任意衬底上制备复杂三维微纳器件。在激光微纳加工的最初阶段，主要以光敏树脂为加工材料，目前加工材料体系已经延伸至半导体材料，磁性材料以及金属材料等。所以将激光微纳加工技术与微流控芯片系统技术相结合，在芯片系统内集成多种功能单元，包含金属微纳结构等将极大的促进生物芯片的深入应用。

在微流控芯片系统中，通过多种微纳制造技术实现微泵浦阀、微混合器、微加热器、微过滤器的集成应用体现了微流控体系功能集成化的进一步完善，使得微流控芯片的应用潜力进一步增大。与此同时，随着芯片的应用范围的扩大，对芯片系统的探测技术的要求进一步提升。传统的芯片分析探测技术包括荧光检测、化学发光检测、紫外吸收度检测、热电偶检测等，其中应用最广的为荧光检测技术，但是并非所有物质都具有荧光特性，解决无荧光或无荧光标记的物质分子的探测并能实现对分子结构的指纹式分析成了芯片系统亟待解决的难题。

表面增强拉曼散射技术(SERS)是拉曼光谱分析中的重要技术。SERS技术可以在分子水平上给出有关物质结构的信息，是一种高效的超灵敏检测技术。尤其是在生物化学领域，SERS检测更是显示出了选择性好，检测对象广泛，灵敏度高，生物兼容性好等优点。通常的SERS检测衬底都是粗糙的金属表面。尽管各式各样的粗糙金属表面已经被经典的微纳加工技术实现，如光刻、自组装、气相沉积等技术都可以成功地制备出高SERS增强活性的金属衬底。然而，在微流控通道内任意位置选择性集成SERS探测衬底，同时实现微流体的SERS探测目前仍然罕有报道。

另一方面，金属多级结构在化学催化领域也十分重要，金属催化剂在石油、化工、医药、农药、食品、环保、能源、电子等领域中都占有极其重要的地位。随着微流控技术的不断发展，微流控芯片中的催化反应受到了越来越多的关注。在此背景下，具有高比表面积的金属催化剂与微流控芯片的集成成为研究者们追求的目标。

发明内容

本发明的目的在于克服现有微纳制造技术中在微流控芯片等非平面衬底上难以集成多级金属微纳结构的问题，提出一种基于飞秒激光诱导金属还原沉积技术在各种衬底上制备银多级微纳结构的方法。实现了在微流控芯片中选择性集成金属微纳结构，为包括生物芯片在内的微分析系统的多功能器件集成创造更大的可行性。

本发明将金属微纳结构的制备与激光加工技术有机结合，其最大特点是激光光束可在聚焦位置通过双光子或多光子吸收诱导金属离子发生光还原反应从而产生金属纳米颗粒或团簇，再通过表面等离子体的作用辅助生长为亚波长间隔的垂直于基底的多级金属纳米片结构，通过控制激光焦点处能量密度、扫描步长和扫描方式等来控制金属微纳结构的尺寸、形貌和粗糙度，调节激光的偏振方向来调节金属微纳结构生长取向。利用软件对衬底形状进行拟合设计出精密的三维可控加工程序，利用自行搭建的激光加工系统控制激光光束沿着程序预先设计好的轨迹在基底表面扫描，而与基底的平整程度无关。

本发明是通过如下技术方案实现的：