平面波導硅基結構表面的APTES修飾研究*

王景雪，薛晨陽，劉 超，王永華，臧俊斌，韋麗萍

(1．中北大學儀器科學與動態測試教育部重點實驗室，太原030051)

平面波導生物傳感器是最近發展比較迅速的傳感器之一。在硅基波導結構上固定功能性生物分子，使其與待測物質發生特異結合改變對波長的吸收等光學特性，進而改變諧振峰位置的偏移或大小，通過探測諧振峰的變化實現被測物的檢測[1]。將功能性生物大分子鍵合在硅結構表面是構成平面波導生物傳感器的一個關鍵步驟。常用的方法為通過表面修飾技術將表面改性劑以化學鍵鍵合的方式鍵合在硅表面，形成一層特殊的分子膜結構，用以改變結構表面的化學特性與物理特性[2－3]。

靈敏度是平面波導光學生物傳感器性能指標的一項重要指標。在光柵、微環等硅基平面波導結構固定的前提下，結構表面修飾形成的生物分子膜特性成為影響其靈敏度的主要因素[4]。表面修飾作為構建平面波導生物傳感器的必要步驟，優化修飾后結構表面膜層的化學物理特性顯得尤為重要[5]。

3－氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)是一種常用的表面修飾劑，通過化學鍵合的方式覆蓋在硅結構表面形成APTES膜層，用以鏈接功能性生物分子[6]。將APTES溶于不同的稀釋液所形成的分子膜特性不同，常用的稀釋液為有機試劑甲苯、乙醇和無機試劑磷酸鹽緩沖液(PBS)，多篇文獻對3種稀釋液的應用均有報導，但是沒有系統的對比3種試劑作為稀釋液生成分子膜的特性。本文就3種不同性質的配液進行研究，通過對接觸角、RMS、XPS的研究分析，表面修飾產生APTES分子膜層的特性的對比，選擇合適的試劑作為APTES的配液，優化器件表面生成APTES膜的特性，降低結構表面微粗糙度，為提高平面波導生物傳感器靈敏度奠定實驗基礎。

1 實驗部分

1．1 實驗原理

3－氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)分子兩端含有化學性質不同且具有兩親性的兩種基團:一端為硅烷基，可以與硅表面的羥基(—OH)發生化學反應，形成強固的化學鍵合，將APTES固定在硅結構表面;另一端為極性氨基基團，具有很好的反應活性，可以與有機分子發生化學反應或物理纏繞，從而將兩種性質不同的材料牢牢的結合在一起[7]。

硅是一種較為活潑的半導體材料，在自然界中會發生氧化形成一層厚度約為0．6 nm的氧化硅層[8]，利用雙氧水的強氧化性可以加厚氧化層的厚度。在氧化硅上修飾APTES通常有兩種方法:液相修飾法和凝膠溶膠法[9]，本文采用的是液相修飾法。

液相修飾法是在液體環境下對樣品進行表面修飾的一種常用方法。在水環境下，APTES先發生水解反應:

生成的Si—OH進而與氧化硅表面的Si—OH發生縮水反應，最終生成Si—O—Si鍵。APTES水解后相互之間會發生縮水反應:

生成不規則的多分子層。在沒有水的有機環境中，APTES直接與氧化硅表面的—Si—OH發生縮醇反應:

形成Si—O—Si鍵將APTES鍵合在氧化硅表面。

1．2 實驗原料與試劑

3－氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)，分析純，Fluck公司;磷酸二氫鈉、磷酸氫二鈉，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;戊二醛(GA)，濃度50%，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;無水乙醇，分析純，上海振興化工廠;雙氧水，濃度30%，分析純，國藥集團化學試劑有限公司;濃硫酸，分析純，西隴化工股份有限公司;甲苯，分析純，沈陽市新化試劑廠;所用水溶液均為18 MΩ去離子水。

1．3 測試儀器

接觸角測定儀，JC－2000CD，北京中儀遠大科技有限公司;原子力掃描探針顯微鏡，CSPM5000，中國本原納米儀器公司;XPS能譜分析儀，AXIS Ultra，英國Kratos公司。

1．4 實驗過程

(1)表層硅氧化:將1 cm×1 cm大小的硅片置于雙氧水溶液中，80℃水浴加熱5 h，表面形成一層(6±1)nm的氧化硅層。

(2)羥基化:將樣品放置于配置好的食人魚溶液(濃硫酸∶雙氧水=4∶1 v/v)中，80℃水浴加熱10 min[10]，樣品表面分子末端形成親水性羥基，標記為“羥基化”。

(3)分子膜淀積:分別將樣品放置在裝有不同溶液(APTES∶PBS=1 ∶20 v/v;APTES ∶乙醇=1 ∶15 v/v;APTES∶甲苯=1 ∶15 v/v[11－12])的燒杯中，振蕩反應4 h，APTES以化學鍵的形式鍵合在樣品表面。取出樣品后真空80℃放置2 h，使分子橫向交聯，取出分別放標為“PBS”、“乙醇”、“甲苯”，以備后續測試。

2 結果與討論

2．1 接觸角分析

接觸角是指在氣液固三相交叉處所做的氣液界面的切線穿過液體與固液界線之間的夾角，用來測量樣品的潤濕程度，并從側面反映樣片表面分子末端的基團屬性及含量。接觸角大，表明樣品表面分子末端親水性基團少，反之則親水性基團多。對樣品接觸角的測試可以判定表面修飾后樣品表面分子的末端基團進行定性及半定量分析[13]。此次實驗測試方法為懸滴法，測試條件為室溫(20±1)℃、相對濕度50% ～60%，選取蒸餾水為測定液。

由經過雙氧水氧化過后，硅片表面氧化硅層出現羥基，經測得接觸角為53．13，呈現為親水性(如表1所示);利用濃硫酸以及雙氧水混合溶液的強氧化性使得表面的羥基濃度變大，接觸角進一步降低。APTES一端為—OH，與樣品表面的—OH發生縮水反應，使得另一端的氨基裸露于表面，親水性下降，表現為接觸角變大。無機溶液(PBS)為稀釋液時接觸角最大，為89．04;利用有機稀釋液(甲苯、乙醇)接觸角較小，兩者差距不大(67．11、65．61)。

圖1 接觸角測試圖

表1 接觸角測試數據

2．2 微粗糙度分析

微粗糙度是指樣品表面在納米尺度內的微起伏，一般用均方根值RMS(Root Mean Square)表征。光學器件表面的RMS值嚴重制約器件的電光學特性及光在器件間傳輸的效率，因此在表面修飾過程中必須控制各個階段樣品的RMS值。

經“食人魚”溶液對硅片羥基化處理以后，對片子進行原子力電鏡掃描，測得硅片的RMS值約為0．7 nm。完成APTES于硅片表面的鏈接后，3種不同稀釋液所生成的APTES層的RMS分別為:RMSPBS=3．4 nm、RMS乙醇=1．7 nm、RMS甲苯=2．1 nm，其三維圖如圖2所示，標記為PBS的硅片表面形貌比較粗糙，且有不規則成簇的突起產生，分析為APTES在無機溶液中進行水解反應后相互之間的縮合反應產生的分子團所致，相比之下甲苯的表面微粗糙度小一些，標記為乙醇的硅片表面最為平整且規則。

圖2 原子力掃描三維圖

2．3 XPS 分析

X－射線光電子能譜分析可以對樣品進行定性和半定量分析，并且可對元素的存在價態做出分析，是研究APTES層中元素組成和原子狀態的有效手段[14]。

羥基化后結構表面主要為Si、O元素，由于反應試劑在樣品表面的殘留，測試結果中含有微量的C元素，如表2所示。對樣品進行APTES膜層生成后，各樣品中Si的含量基本不變，O元素含量均下降，與理論縮醇反應和縮水反應相符;同時鏈接了APTES膜層，表面元素中出現了N元素和大量的C元素。在表2中同樣可以清楚看到，不同的稀釋液反應后表面C、N的含量差距較大，無機溶液PBS為APTES的稀釋液時，C、N元素的含量比有機溶液(甲苯、乙醇)的樣品含量高出40% ～60%，推測原因為APTES分子發生水解反應后相互之間引發縮水反應固定在樣品表面引起的，這與PBS樣品表面粗糙度大相符。有機試劑甲苯與乙醇之間的差距不大，標記為甲苯的樣品C、N元素的含量略微比乙醇的高，O元素略低。其XPS光譜圖分析見圖3。

表2 XPS分析樣品表面各元素含量

圖3 XPS全元素光譜分析

利用戊二醛(GA)溶液對有機試劑樣品表面膜層的活性進行實驗。戊二醛分子兩端均為醛基(—CHO)，其一端與樣品表面裸露的氨基發生鍵合反應，另一端—CHO裸露于樣品表面，用于鏈接生物分子[15]。醛基是戊二醛分子的標志性基團，在結構表面APTES膜上檢測醛基含量可以判定APTES膜層的活性，數量多代表膜層活性高，反之則活性較低。

圖4 有機試劑C1s光譜圖分析

應用XPS技術對兩種樣品表面C元素的結合鍵能分析戊二醛分子醛基的含量，兩種樣品的C1s譜圖如圖4所示。在結合鍵能為284．8 eV處可以看到C—C/C—H鍵的峰，為C元素在樣品表面的主要存在方式，R—CH2—NH—(CO)—與R—CHO中的CO雙鍵的峰出現在288．3 eV處，前者為戊二醛鍵合在膜層表面形成的分子結構，后者為戊二醛分子鍵合后裸露于樣品表面的基團，測試結果中含有少量的游離戊二醛分子，在分析中給予忽略。在圖4中可以看到以乙醇為稀釋液的樣品在288．3 eV處—CO—的峰值比較尖銳，曲線覆蓋面積大，醛基結合數量較多，而甲苯的在圖中顯示的較為平緩，表明戊二醛分子在乙醇試劑為APTES的稀釋液所生成的APTES膜上可以更好的固定。

3 結束語

光學器件結構表面的物理化學特性對光學生物傳感器的敏感度有非常大的影響，如何有效降低表面粗糙度，提高表面分子膜層活性一直以來是人們關注的重點。本文從樣品表面接觸角、微粗糙度、元素含量及結合鍵能等方面，系統的對比三種不同稀釋液生成分子膜層的物理化學特性。理論分析和實驗數據表明，在相同的實驗環境下，有機溶液乙醇作為稀釋液所生成的膜層表面粗糙度僅為使用無機溶液PBS的50%，應用甲苯為稀釋液效果略差于乙醇;在鍵合戊二醛分子后，通過XPS測試樣品表面GA分子的含量對比APTES膜層表面活性，標記為乙醇的樣品優于甲苯。綜上所述，在硅結構表面修飾過程中以乙醇為APTES的稀釋液效果為最佳，經修飾后不僅表面膜層的微粗糙度低，而且分子活性高，更適用于光學器件表面修的應用。

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