本研究描述了一种纳米压印光刻技术，用于制备基于异常光学透射原理的高质量传感阵列。该生物传感器成本低、稳定性好、操作简便，可在临床相关浓度下检测血清中的心肌肌钙蛋白I（99th 百分位数截断值 ∼10–400 pg/mL，具体取决于检测方法。
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本文内容
摘要
摘要
为了使生物传感平台在即时检测（POC）环境中具有临床相关性，检测的灵敏度、可重复性以及在人血清背景中可靠监测分析物的能力至关重要。
纳米压印光刻技术（NIL）被用于低成本制备面积达1.5 mm × 1.5 mm的传感区域。传感表面由高保真度的纳米孔阵列构成，每个纳米孔的面积约为140 nm2NIL 的高度可重复性使得在 12 个独立制造的表面上采用“单芯片、单次测量”策略成为可能，芯片间的差异极小。这些纳米压印局域表面等离子体共振（LSPR）芯片在复杂生物流体（此处为人类血清）背景下，对浓度范围为 2.5 至 75 ng/mL 的生物分析物进行了广泛测试，验证了其可靠检测能力。NIL 的高保真特性可实现大面积传感区域的制备，从而无需使用显微镜，因为该生物传感器可轻松与实验室常见的光源耦合。这些生物传感器对血清中心肌肌钙蛋白的检测具有高灵敏度，检出限（LOD）达 0.55 ng/mL，具有临床相关性。同时，芯片间变异率低（归因于高质量的制备工艺）。检测结果与广泛使用的酶联免疫吸附测定（ELISA）法相当，但该技术仍保留了基于 LSPR 传感平台的各项优势。即， 易于微型化和多重检测，使其在即时检测（POC）应用中更具可行性。
引言
自埃贝森首次报道纳米孔阵列的异常光学透射（EOT）现象以来，基于纳米孔阵列的化学传感器已成为众多研究的课题 等 1998年1当光照射到亚波长尺度的纳米孔周期性阵列时，会在特定波长处出现增强的透射现象。这种现象发生在入射光与布洛赫波表面极化激元（BW-SPP）和/或局域表面等离激元（LSP）发生耦合时。2.
利用此类周期性阵列进行生物传感时所依赖的基本物理原理十分简单。当分子吸附到金属界面或其附近时，会改变与金属接触的介质的介电常数，从而导致光谱中透射带位置发生偏移。通过纳米级的结构设计，可对纳米结构的形状、尺寸及间距进行调控，进而调节光谱特性3,4,5。基于异常光学透射（EOT）的传感器在设计上具有特定的光谱特征峰，便于在研究分子结合事件时进行明确指认6,7,8，这一特性相较于市面上现有的表面等离子体共振（SPR）平台具有显著优势。
使用E....
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方案
1. 传感器的制备与数据采集
- 镍模具的制备
- 在基底上涂覆一层220 nm厚的负性电子束抗蚀剂 600 µm- 厚度为4英寸的硅晶圆。使用电子束光刻系统在该晶圆上写入设计的纳米孔阵列。
- 为加快电子束写入速度，每个图案使用20k的低点阵密度（N）进行写入 300 µm 视野大小（A）(即， 每个图上绘制了4亿个点 300 µm2 区域，每个点根据图案设计决定是否被电子束曝光）。设置电子束抗蚀剂的曝光剂量，以适用于该抗蚀剂 110 µC 厘米−2 并以800 pA的电流（I）进行记录。
注意：在电子束光刻中，曝光剂量（D）由每个点的曝光时间（T）控制点），通过计算得出
. 对于暴露剂量在 110 µC cm−2，电子束在每个曝光点上的停留时间为 0.5 µs12. 由于该阵列捕获的区域为1.8 mm2，....
- 为加快电子束写入速度，每个图案使用20k的低点阵密度（N）进行写入 300 µm 视野大小（A）(即， 每个图上绘制了4亿个点 300 µm2 区域，每个点根据图案设计决定是否被电子束曝光）。设置电子束抗蚀剂的曝光剂量，以适用于该抗蚀剂 110 µC 厘米−2 并以800 pA的电流（I）进行记录。
- 在基底上涂覆一层220 nm厚的负性电子束抗蚀剂 600 µm- 厚度为4英寸的硅晶圆。使用电子束光刻系统在该晶圆上写入设计的纳米孔阵列。
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结果
用于进行测量的光学装置如图1A所示。实际纳米孔阵列的图像见图1B。为了理解驱动传感过程的物理机制，使用COMSOL仿真软件模拟了水环境中等离激元场的分布情况，并将仿真结果与实际测量结果进行了关联。此前发表的一项研究详细说明了仿真中所采用的假设和参数11,13。用于模拟纳米孔阵列等离激元场的物理尺寸如下：p = 400 nm，D = 150 nm，T = 100 nm。在计算透射光谱时，还考虑了吸收和散射效应14。图1C中对比了仿真光谱与实验测得的光谱。仿真和实测光谱均显示出在450至850 nm范围内存在四个吸收带。位于495 nm处的吸收带对应于金的带间跃迁。随后的三个吸收带按波长递增顺序分别称为I-III带，其位置分别为560 .......
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讨论
模拟入射光与纳米结构之间的相互作用，可以确定透射光谱中合适的特征峰，其峰位偏移可记录为分析物浓度的函数。需要注意的是，相对于传感器结构的能带局域化特性，对于选择可用于追踪分析物的合适能带至关重要。这种可视化可通过模拟实现，对设计能够实现生物传感的最优结构也具有关键意义。如图所示，能带 I 和 III 局域在玻璃-金界面处，因此不适合用于生物传感。而能带 II 表现出显著的局域表面等离子体共振（LSPR）成分，具有较短的衰减长度，并局域于纳米孔边缘，因此非常适合用于检测分析物浓度。整个阵列中所制备纳米结构的质量也对采集光谱的质量至关重要，结构不均匀会引入伪影。
散射和不可避免的吸收会在水相测量中产生伪影。水相介质的存在也会干扰整体的信噪比。如果存在多个可用于监测生物传感信号位移的合适谱带，则必须考虑以下几点。在波长低于600 nm时，观测到的透射光谱会显著受到蛋白质吸收和颗粒散射的影响。另一方面，使用大于900 nm的波长可能会掩盖来自结合事件的重要底层信号，从而造成干扰，因为在该区域水的吸收随波长增加而增强。因此，对于在水相环境中检测分析物，谱带II在波长位置上处于最优范围。在谱带.......
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披露
作者无竞争性财务利益。
致谢
AP 感谢新加坡国立大学纳米科学与纳米技术计划主任 T Venkatesan 教授以及新加坡国立大学副校长办公室（R-398-000-084-646）提供的支持。CLD 感谢新加坡卫生部国家医学研究委员会临床科学家资助计划（NMRC/CSA/035/2012）以及新加坡国立大学的支持。资助方在研究设计、数据收集与分析、发表决定或稿件撰写过程中均未发挥任何作用。
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材料
| 姓名 | 公司 | 目录编号 | 评论 |
|---|---|---|---|
| 电子束光刻设备 | Elionix ELS 700 | ||
| 邻二甲苯 | Sigma Aldrich | 95662 | |
| 电子束光刻胶 | 住友化学 | NEB-22A2 | |
| 显影液试剂 | Shipley 公司 | Microposit MF 321 | |
| 电镀设备 | Technotrans AG RD 50 | ||
| 光刻胶剥离剂 | Rohm and Haas 电子材料 有限责任公司 | Microposit Remover 1165 | |
| 刻蚀系统 | Trion Phantom | ||
| 十七氟-1,1,2,2-四氢癸基三氯硅烷 | Gelest (宾夕法尼亚州, 美国) | 78560-44-8 | |
| 自组装单分子层涂覆仪 | Sorona 公司 | AVC 150M | |
| 光固化纳米压印光刻胶 | micro resist technology GmbH | mr-UVCur21-300nm | |
| 光固化系统 | Dymax | Model 2000 Flood | |
| 电子束蒸发设备 | Denton Explorer | ||
| 紫外-可见光谱仪 | Ocean Optics HR2000+ (佛罗里达州邓迪, 美国) | ||
| 标准折射率液体 | Cargill 公司 (新泽西州雪松格罗夫, 美国) | 18032 | |
| 绘图软件 | Origin | Origin Pro 9 | |
| 10-羧基-1-癸硫醇 | Dojindo 实验室 (日本) | C385-10 | |
| 1-辛硫醇 | Sigma-Aldrich, 密苏里州, 美国 | 471386 | |
| 磺基-N-羟基琥珀酰亚胺和1-乙基-3-(3-二甲基氨基丙基)碳二亚胺 | BioRad (加利福尼亚州, 美国) | 1762410 | |
| 抗肌钙蛋白抗体 560 | Hytest (芬兰) | 4T21 | |
| 乙醇胺盐酸盐溶液 | BioRad (加利福尼亚州, 美国) | 1762450 | |
| 表面等离子体共振设备 | BioRad XPR36 (以色列海法) | ||
| 多通道 SPR 芯片 | BioRad | GLC | |
| 人cTnI标准品 | Phoenix Pharmaceuticals | EK -311-05 | |
| 甘氨酸盐酸盐 | BioRad (加利福尼亚州, 美国) | 1762221 |
参考文献
- Ebbesen, T. W., Lezec, H. J., Ghaemi, H., Thio, T., Wolff, P. Extraordinary optical transmission through sub-wavelength hole arrays. Nature. 391 (6668), 667-669 (1998).
- Krishnan, A., et al. Evanescently coupled resonance in surface plasmon enhanced transmission. Optics Comm. 200 (1), 1-7 (2001).
- Yang, J. -C., et al.
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重印与许可
