[实用新型]一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器

说明书

本实用新型属光学传感技术领域，提出一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器，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；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。用于反射干涉传感测试时，小分子可以渗透到无序多孔硅层，而目标小分子和干扰大分子可同时渗入有序硅纳米线阵列层；与双层无序多孔硅结构相比，本方案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结构相比，具有同时检测目标小分子和干扰大分子的优势。

技术领域

本实用新型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。

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。

实用新型内容

本实用新型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：

一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器，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。

一种选择性检测分子的硅基反射干涉传感器，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。