零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统

本发明涉及半导体器件，具体涉及一种零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统。

背景技术：

1、零模波导(zero-mode waveguide，简称zmw)芯片通过激励光学消逝场限制有效观测体积，进而极大降低了背景噪声，目前多应用于dna测序、rna测序、蛋白-蛋白相互作用、配体-受体结合、膜蛋白等诸多研究领域，日益成为了解和认知生物分子间机制的有效工具。

2、目前单分子检测对于探测灵敏度提出了更高的需求，随之对芯片信噪比的提升提出了更高的需求。现有常规的zmw芯片是在100nm-200nm厚度的金属薄膜上，由数千到数百万个亚波长的纳米孔组成阵列，纳米孔的直径通常为50nm-250nm，如图1所示。金属薄膜形成波导包层，纳米孔内部形成波导芯进而形成波导结构，此类波导结构具有截止波长，当入射光高于截止波长时，波导内没有传播模式，因而被称为“零模波导”。

3、然而zmw芯片尽管降低了背景噪声，但纳米孔阵列底部的荧光信号仍然较为微弱，如何在低背景噪声下获得更高的信号强度成为增强信噪比的关键。因此，亟待构建基于零模波导机理的信号增强方法与器件。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统，以解决现有的用于单分子荧光检测的零模波导芯片荧光信号弱，影响检测准确性的问题。

2、第一方面，本发明提供了一种零模波导芯片，包括半导体衬底、第一膜层和第二膜层，第一膜层设置在半导体衬底上，第一膜层上设置有第一纳米孔，第一纳米孔贯穿第一膜层；第二膜层设置在半导体衬底和第一膜层之间，第二膜层上设置有第二纳米孔，第二纳米孔贯穿第二膜层；第二纳米孔与第一纳米孔相连通，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔靠近第二纳米孔的区域和第二纳米孔所形成的激发区域内，激发区域内适于设置待测样品。

3、有益效果：第一纳米孔和第二纳米孔形成双层纳米孔结构，双层纳米孔结构把激发区域限制在纳米孔底部很小范围内，且足以覆盖设置在第二纳米孔内的待测样品，使得待测样品受激发产生的荧光发射信号集中来自这一小的激发区域，将背景噪声降到最低，进而提高零模波导芯片的信噪比，有助于提高荧光发射光的强度；更重要的是，待测样品发出的发射光照射到双层纳米孔结构时，发射光与金属膜层表面作用，在第二纳米孔附近形成强局域场，进一步实现对荧光信号的增强，进而提高荧光检测的准确性。

4、在一种可选的实施方式中，第一纳米孔与第二纳米孔同轴设置。

5、本发明中，同轴设置的双层纳米孔有助于在激发区域形成更加均匀稳定的强局域场，有助于荧光信号的增强。

6、在一种可选的实施方式中，第一膜层的厚度为100nm，第二膜层的厚度为10nm。

7、本发明中，超薄的第二膜层上的第二纳米孔增强了从第二纳米孔输出的管沟和的同时也保证了发射光的透光率，在具有良好的观测体积的同时得到了更强的荧光信号，实现信噪比的提升。

8、在一种可选的实施方式中，第一纳米孔的径向尺寸为200nm，第二纳米孔的径向尺寸范围为30nm-200nm。

9、在一种可选的实施方式中，第二纳米孔的径向尺寸为50nm。

10、本发明中，在第一纳米孔厚度100nm，直径200nm，以及第二纳米孔厚度10nm的前提下，第二纳米孔的直径为50nm时，形成的局域场增强效果最佳。

11、在一种可选的实施方式中，第一膜层和第二膜层为相同的金属膜层；或，第一膜层和第二膜层为不同的金属膜层。

12、第二方面，本发明提供一种零模波导检测系统，包括：上述的零模波导芯片、激光光源、检测元件以及光学控制组件；激光光源适于发出激发光；检测元件适于接收发射光；光学控制组件适于将激发光引导至激发区域，以激发设置在激发区域内的待测样品发出发射光，以及将发射光引导至检测元件。

13、在一种可选的实施方式中，光学控制组件包括：滤光片、二向色镜和物镜；激发光依次穿过滤光片、二向色镜和物镜到达发射增强型零模波导芯片的激发区域，以激发待测样品发出发射光；发射光依次穿过物镜和二向色镜到达检测元件。

14、第三方面，本发明还提供一种零模波导芯片的制备方法，包括：

15、提供半导体衬底；

16、在半导体衬底上制备第二膜层；

17、在第二膜层上制备第一膜层；

18、在第一膜层上形成第一纳米孔；

19、在第二膜层上形成第二纳米孔，第二纳米孔与第一纳米孔相连通，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸；激发光限于第一纳米孔靠近第二纳米孔的区域和第二纳米孔所形成的激发区域内，激发区域内适于设置待测样品。

20、在一种可选的实施方式中，在第二膜层上制备第一膜层采用电子束负胶光刻工艺；在第一膜层上形成第一纳米孔采用剥离工艺；在第二膜层上形成第二纳米孔采用聚焦离子束刻蚀工艺。

技术特征：

1.一种零模波导芯片，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一纳米孔与所述第二纳米孔同轴设置。

3.根据权利要求1所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一膜层的厚度为100nm，所述第二膜层的厚度为10nm。

4.根据权利要求3所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一纳米孔的径向尺寸为200nm，所述第二纳米孔的径向尺寸范围为30nm-200nm。

5.根据权利要求4所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第二纳米孔的径向尺寸为50nm。

6.根据权利要求1-5任一项所述的零模波导芯片，其特征在于，所述第一膜层和所述第二膜层为相同的金属膜层；或，所述第一膜层和所述第二膜层为不同的金属膜层。

7.一种零模波导检测系统，其特征在于，包括：

8.根据权利要求7所述的零模波导检测系统，其特征在于，所述光学控制组件包括：滤光片、二向色镜和物镜；

9.一种零模波导芯片的制备方法，其特征在于，包括：

10.根据权利要求9所述的零模波导芯片的制备方法，其特征在于，在所述第二膜层上制备第一膜层采用电子束负胶光刻工艺；

技术总结本发明涉及半导体器件技术领域，公开了零模波导芯片及其制备方法、零模波导检测系统。零模波导芯片包括半导体衬底、第一膜层和第二膜层，第一膜层设置在半导体衬底上，第一膜层上设置有第一纳米孔；第二膜层设置在半导体衬底和第一膜层之间，第二膜层上设置有第二纳米孔；第二纳米孔与第一纳米孔连通，适于形成设置待测样品的激发区域，且第二纳米孔的径向尺寸小于第一纳米孔的径向尺寸。荧光发射光照射在双层纳米孔结构的第二膜层表面，在第二纳米孔附近形成强局域场，激发区域限制在纳米孔底部很小范围内覆盖第二纳米孔内的待测样品，使待测样品的发射光集中来自这一小的激发区域，背景噪声降到最低，提高零模波导芯片的信噪比及荧光检测的准确性。技术研发人员：周连群,刘轩硕,李传宇,郭振,高庆学,黄润虎,张威,张芷齐,姚佳,李金泽,张月业,李超受保护的技术使用者：中国科学院苏州生物医学工程技术研究所技术研发日：技术公布日：2024/6/5