基於光子晶體的複合式生物晶片的製作方法

2023-04-24 23:12:11

專利名稱：基於光子晶體的複合式生物晶片的製作方法
技術領域：
本發明描述了一種新型基於光子晶體結構的複合式生物晶片的製備方法，包括 基片，這種晶片的基片綜合了硬性基片、光子晶體以及膜性基片的優點，具有製作 成本相對較低、高靈敏度、可以批量生產和實用性強等特點，可應用於生物檢測、 藥物開發、疾病診斷等領域。
背景技術：
光子晶體是由兩種或兩種以上，具有不同介電常數的材料在空間上按照一定的 周期順序所形成的有序結構。這樣的結構對特定波長的光具有禁止通過的作用，即 光子禁帶。光子禁帶的存在使光子晶體具有優異的光操控能力，頻率位於帶隙中的 光波將被光子晶體全反射。從20世紀90年代中後期開始，光子晶體就因為其巨大的 科學價值和廣闊的應用前景，受到各國政府、軍方、學術機構以及高新技術產業界 的高度重視。光子晶體的優異性質光學、光子學性質是其在許多領域中都有應用，
例如光子晶體波導、光子晶體雷射器以及生物傳感等方面。
在實際應用中，膠體晶體由於製備簡單、價格低廉而受到了廣泛的青睞。直徑 為亞微米、單分散的無機或聚合物膠體微球在重力、靜電力或毛細力的作用下可以 自組裝形成二維或三維的有序排列。常用的亞微米級的膠體粒子有二氧化矽
(Si02)、聚苯乙烯(PS)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，此外還有一些單 分散的無機有機複合物粒子和有機共聚物粒子等。根據布拉格衍射方程，小球的直 徑大小將影響密堆積膠體晶體的光子禁帶位置。
生物晶片是指採用光導原位合成或微量點樣等方法，將大量生物大分子有序地 固化於支持物的表面，組成密集二維的分子陣列，然後與已標記的待測生物樣品中 靶分子雜交，通過特定的儀器比如雷射共聚焦掃描對雜交信號的強度進行快速、並 行、高效地檢測分析，從而判斷樣品中靶分子的數量的一種生物檢測的載體。其作 用是連接、吸附或包埋各種探針分子，並提供晶片雜交、洗片和掃描的支持平臺。 目前使用的生物晶片的基片可以分為三大類
一. 膜性基片主要有尼龍膜，硝酸纖維素膜等。這類基片具有三維立體結構， 並且與生物分子親和力強，雜交技術成熟。但是由於其背景較強，只能進行單
樣本雜交，靈敏度較低，需要用放射性物質標記。因而應用範圍受限。
二. 硬性基片其中玻片使用最多，另外還有塑料片，矽片等。這類基片具有一 定的剛性，螢光背景低，價格低廉，耐高溫和高離子強度，並且樣品不易擴散，雜 交液體積少，因而在生物晶片技術中使用最廣泛。但其二維平面結構阻礙生物分子 在空間的伸展，易造成空間位阻，所以在低濃度檢測中仍需要改進。
三. 複合型基片這類基片將三維基片的高親和性和玻片的剛性結合起來，獲得
了很好的使用效果。例如Schleicher& Schuell公司的CAST Slides將帶正電荷尼龍膜 附著在玻片上，形成一種膜結合玻片。PerkinElimer公司的Hydro gel Coated Slides
將玻片表面包被一種專利的聚合物，大大提高基片與DNA的結合能力，提高檢測 靈敏度。

發明內容
技術問題本發明的目的是製作一種基於光子晶體的複合型生物晶片。這種芯 片具有檢測信號強、靈敏度高和點樣質量高等優點，為生物晶片的研究提供了一個 高性能的平臺。
技術方案本發明的目的可以通過以下方案來實現在普通硬性基片表面利用
亞微米(納米粒子)自組裝的辦法製備光子晶體薄膜，然後在光子晶體薄膜上平鋪
一層膜性基片，對其表面進行化學修飾後，即可應用於各種生物分子的檢測。
該方法包括硬性基片的準備、光子晶體薄膜的製備、膜性基片的連接、基片的
表面處理四個步驟，
① 硬性基片的準備將普通硬性基片用洗漆液清洗乾淨，用去離子水超聲衝洗 後晾乾。根據需要可以用化學修飾或等離子體處理的方法，將基片表面修飾上氨基 或羥基等。
② 光子晶體的製備將單分散的二氧化矽或聚苯乙烯等納米微球，加去離子水 稀釋，調節質量百分數為2%—2.5%，超聲分散開，形成較穩定的膠體乳液。利用自 組裝法在步驟①處理好的基片表面上組裝20um左右厚的光子晶體薄膜。然後，基片 放在80度的烘箱中2h，驅除分散介質，使得粒子之間堆積更緊密牢固。
③ 膜性基片的複合在光子晶體薄膜表面平鋪一層膜性基片(例如水凝膠)，
利用化學吸附或正負電荷之間相互作用等使其牢固結合。
④基片的表面處理運用化學吸附等方法，將步驟③中形成的複合基片表面的 膜層部分修飾上能與待測生物分子牢固連接的化學基團。
所述的硬性基片是玻片、矽片或塑料片。
製備光子晶體薄膜的材料是二氧化矽、聚苯乙烯、磁性複合納米粒子或量子點 複合納米粒子。
膜性基片為水凝膠、尼龍膜或硝酸纖維素膜。
有益效果在本發明中，我們採用了傳統的硬性基片和膜性基片，並引入膠體 光子晶體薄膜。從而使得複合式生物晶片的性能大大提高，由於光子晶體薄膜僅對 頻率處在光子禁帶範圍內的信號有增強作用，所以該生物晶片可以對不同的信號選 擇性的增強。
這種方法可以為生物晶片技術中的生物分子反應和檢測提供了一個高性能的平 臺，而且還可以把光子晶體的應用範圍拓展到生物晶片領域中，進一步促進新型材 料的發展和應用。
具體實施方式
實施例l:
1、 先將普通載玻片用洗滌液洗淨，然後用去離子水超聲衝洗3遍，無塵處晾乾
備用o
2、 二氧化矽光子晶體製備方法通過溫控法控制二氧化矽納米粒子的粒徑，例
如若待測信號為cy3，其發射波長為570nm，則調節油浴溫度至40度，選用快速間隙 式加料法，首先88ml無水乙醇和3.2ml正矽酸乙酯混合液與20ml的氨水和88ml無水乙 醇混合液，加入到燒瓶中，並同時開始攪拌，轉速為350轉/分鐘；然後加入16ml氨 水；5—10分鐘後加入176ml無水乙醇和4ml正矽酸乙酯混合液。反應3個小時後，可 以得到單分散性很好的二氧化矽納米粒子。離心純化後，調節其濃度至2.2%，採用 重力沉積法，在步驟l中製得的載玻片上獲得約30um厚的光子晶體薄膜。將基片放 到80度烘箱中加熱2h，使得粒子連接更緊密。最後，用5。/。的APTES酒精溶液浸泡載 玻片半小時，再用去離子水衝洗3遍，晾乾待用。 3、平鋪瓊脂糖膜的方法稱0.4g瓊脂糖，將其溶解於100ml去離子水中，加熱使其 沸騰，在步驟2製得的基片表面上澆注瓊脂糖溶液,每張載玻片2ml ,使其均勻平鋪於
基片表面,待其凝固後置37'C烘乾，便製得複合式生物晶片。
4、基片表面的修飾將複合基片置於O. 2 mol/L NaI(V溶液中，室溫氧化30 min, 再用蒸餾水洗片3次,每次5 min ,在此基礎上，再將基片浸入到含1%戊二醛0. 01mol/L 磷酸鹽緩衝液(PBS， pH7. 4)溶液中，37'C環境下作用2h後，用去離子水洗片3次，每次5 min,晾乾後即可使用。
實施例2:
1、 塑料片的準備首先製作尺寸為76.2mn^25.4mm"mm的PS塑料片，然後冷 卻至室溫。用去離子水超聲清洗塑料片，並用氧等離子體對其表面進行氧化處理。
2、 聚苯乙烯光子晶體製備方法在氮氣保護下，將10ml苯乙烯，225ml超純水 和lml的甲基丙烯酸加入三口瓶中，在350r/min的轉速下攪拌。升溫至7(TC，穩定後 加入0.32g過硫酸鉀作為引發劑，反應至少10h，即可得到粒徑為245nm左右的聚苯 乙烯微球。離心純化後，用去離子水將微球濃度調製2-2.5%，超聲分散開。把步驟l 中製得的塑料片固定在提拉儀上，以1.6um/s的速度向上提拉，微球就會在塑料片表 面自組裝成光子晶體。
3、 水凝膠膜的製備將質量百分數為10%的丙烯醯胺和甲叉雙丙烯醯胺混合液 稀釋至為4%(體積比)，加引發劑偶氮異二丁腈(1%，質量體積比)混勻後，通入氮 氣2—4min，然後將其平鋪在步驟2製作的基片表面上，靜置20 min。最後，在20。C 下高壓汞燈照射聚合30min，可得複合式生物晶片。
實施例3:
1、 矽片的準備將購買的普通矽片洗淨，並用氧等離子體對其表面進行氧化處理。
2、 聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶體的製備PMMA的製備採用在沸騰 溫度下的無皂懸浮聚合法。首先將40ml的甲基丙烯酸甲酯放入細頸瓶中，加入0.1ml 的甲基丙烯酸和150ml的超純水，攪拌下加熱至沸騰，沸騰後5分鐘加入引發劑過二 硫酸鉀，反應1.5h。離心純化後，用去離子水將微球濃度調製2-2.5%，超聲分散開。 把步驟l中製得的矽片固定在提拉儀上，以1.6um/s的速度向上提拉，微球就會在矽 片表面自組裝成光子晶體。
3、 平鋪瓊脂糖膜的方法同實施例l所述。
權利要求
1、一種基於光子晶體的複合型生物晶片的製作方法，其特徵在於該晶片的製作包括硬性基片的準備、光子晶體薄膜的製備、膜性基片的連接、基片的表面處理四個步驟，①硬性基片的準備將普通硬性基片用肥皂水清洗乾淨，用去離子水衝洗後晾乾；根據需要可以用化學修飾或等離子體處理的方法，將基片表面修飾上氨基或羥基；②光子晶體的製備將特定的根據檢測信號的位置不同而不同大小的單分散的二氧化矽或聚苯乙烯等納米微球，加去離子水稀釋，調節質量百分數為2％-2.5％，超聲分散開，利用自組裝法在步驟①處理好的基片表面上組裝20-30um厚的光子晶體薄膜；之後，基片放在80度的烘箱中2h，使得粒子之間連接更緊密牢固；③膜性基片的連接在光子晶體薄膜表面平鋪一層膜性基片，利用化學吸附或正負電荷之間相互作用使其牢固連接；④基片的表面處理運用化學吸附等方法，將步驟③中形成的複合基片表面的膜層部分修飾上能與待測生物分子牢固連接的化學基團。
2、 如權利要求1所述的基於光子晶體的複合型生物晶片的製作方法，其特徵在 於所述硬性基片是玻片，矽片或塑料片。
3、 如權利要求1所述的基於光子晶體的複合型生物晶片的製作方法，其特徵在 於製備光子晶體薄膜的材料是二氧化矽、或聚苯乙烯、磁性複合納米粒子或量子 點複合納米粒子。
4、 如權利要求l所述的基於光子晶體的複合型生物晶片的製作方法，其特徵在 於膜性基片為水凝膠、尼龍膜或硝酸纖維素膜。
全文摘要
基於光子晶體的複合型生物晶片的製作方法包括硬性基片的準備、光子晶體薄膜的製備、膜性基片的連接、基片的表面處理四個步驟，①硬性基片的準備將普通硬性基片用肥皂水清洗乾淨，用去離子水衝洗後晾乾；將基片表面修飾上氨基或羥基；②光子晶體的製備將特定的根據檢測信號的位置不同而不同大小的單分散的二氧化矽或聚苯乙烯等納米微球，在處理好的基片表面上組裝20-30um厚的光子晶體薄膜；③膜性基片的連接在光子晶體薄膜表面平鋪一層膜性基片，利用化學吸附或正負電荷之間相互作用使其牢固連接；④基片的表面處理運用化學吸附等方法，將步驟③中形成的複合基片表面的膜層部分修飾上能與待測生物分子牢固連接的化學基團。
文檔編號C12Q1/68GK101358242SQ20081015707
公開日2009年2月4日 申請日期2008年9月23日 優先權日2008年9月23日
發明者孫立國, 明 胥, 顧忠澤 申請人:東南大學