供稿人:朱晓阳，兰红波 发布日期：2018-03-10
加州大学河滨分校环境毒理学及化学系的Quan Cheng团队采用立体光固化成型（SLA）3D打印技术，结合抛光等后处理工艺制造出高质量和可定制化的棱镜，并将其应用于光学生物传感领域。这是首次探索采用3D打印技术制造用于无标记物生物传感的光学器件，对于低成本、快速制造光学元件和光学生物传感器等精密器件（产品）具有重要意义。
首先，他们以甲基丙烯酸低聚物，甲基丙烯酸单体和光引发剂的混合物为打印材料，打印出等边棱镜结构（如图1所示），其透光率类似于聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）。随后，通过湿法砂光及台式抛光轮打磨处理，棱镜整体表面粗糙度RMS达到 23 nm。最后，采用电子束蒸发工艺在一棱镜面上蒸镀一层50 nm的金薄膜，制备出表面等离子体共振传感器（如图1A所示）。测试结果表明，3D打印的棱镜具有较高的折射率，堪比工业高折射率玻璃；且由3D打印棱镜制成的表面等离子体共振传感器的灵敏度可达177.6° RIU-1（折射指数单位），与由BK7及SF2棱镜制成的表面等离子体共振传感器的灵敏度相近。
图1 3D打印表面等离子体共振传感器的制造过程及传感器表面形貌
为了进一步验证3D打印棱镜制备表面等离子体共振传感器的实际应用效果，采用该工艺制备的表面等离子体共振传感器对细菌霍乱毒素进行了检测分析，其测试分析的结果与由BK7及SF2棱镜制成的表面等离子体共振传感器对霍乱毒素的测试分析结果类似（如图2所示）。
图2 霍乱毒素的表面等离子体共振传感分析
此外，该团队采用3D打印光学技术制造了道威棱镜，并结合原位聚多巴胺介导的生长机理，将金纳米粒子直接制备到棱镜的宽面上（如图3所示），制备出表面等离子体共振传感器。该工艺采用3D打印技术制造光学棱镜的同时，采用原位聚多巴胺介导生长将金纳米粒子制备到棱镜面上，代替电子束蒸发工艺在棱镜面上蒸镀金薄膜，从而使得整个工艺过程无需洁净室设施和真空设备，大大提高了环境适用性及降低了制造成本。
图3 道威棱镜的制造
与传统光学器件制造工艺相比，尽管3D打印光学器件在分辨率等方面还有待提高。但是，利用3D打印技术制造光学元件具有高效和低成本的显著优势，尤其是能够实现一次性和定制化光学组件快速制造。随着3D打印技术的快速发展，未来3D打印技术将会在光学器件和传感器制造等领域发挥越来越重要的作用。