CN100334449C - 有序SiO2介孔组装CdS， ZnS微阵列生物芯片的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种有序SiO₂介孔组装的CdS，ZnS半导体纳米晶作荧光检测的微阵列生物芯片的制备方法。该方法包括如下步骤：有序介孔SiO₂膜的制备、介孔组装偶联剂的连接、CdS或ZnS在介孔内的组装以及组装衬底的活化。本发明制备的微阵列生物芯片具有荧光发光稳定性强，不易漂白，分辨高的特点。

Description

有序SiO2介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法

技术领域

本发明涉及一种半导体纳米晶作荧光检测的微阵列生物芯片的制备方法，特别是一种有序SiO₂介孔组装的CdS，ZnS半导体纳米晶作荧光检测的微阵列生物芯片的制备方法。

背景技术：

众所周知，对于临床诊断及其治疗的重要手段及方法之一是免疫学的检测，而其依赖的方法是生物学的检测，人类一旦患病后或发生生物体代谢紊乱时，生物检测时目前常用的一种简单而灵敏的方法。

现代生物医学已经十分清楚地了解到对于人体危害最大的疾病，也是死亡率最高的疾病之一，即是恶性肿瘤，对于其早期诊断对人类健康无疑有十分重要意义。而早期诊断的手段之一即为高灵敏度，高准确率与高度选择性的是免疫学的生物检测。目前，临床采用的生物免疫检测主要以荧光标识或称之为荧光探针方法予以实施。其中构成人类生命体的最小活性单位有10万种以上。它们各自承担着不同的任务，在体内发挥着特定的作用，维持并控制着生命的活动。它们在不同阶段，不同组织中，其细胞表示的蛋白质就有很大的差异。一般地说，当体内遗传功能单位——基因发生突变时其蛋白质也会随之变化。因为基因是合成蛋白质的功能单位，因而任何疾病的发生和发展，首先表现在蛋白质水平上。而利用生物检测来发现这些蛋白质的变化，探讨生命活动规律，研究疾病发生的机理，不但可分析生命过程，而且对疾病的早期准确诊断都具有十分重要的意义。

以往，作为蛋白质组学的免疫检测技术的探针标记方法，常用的有放射标识，酶标识，有机荧光染料标识等，其中放射性标识易发生放射玷污，使用不安全。酶标识稳定条件高。故有机荧光染料标记是一种常用的方法，因其具有发光强度高，监测灵敏度好的优点，但是有机荧光染料的荧光峰较宽，在多组分检测中分辨就不高，且发光波长不同要求其有不同的激发波长，而且其光稳定性差，时间长会导致其漂白或光分解。虽然，为克服有机荧光染料的这些缺陷人们采用了无机化合物半导体量子点材料作荧光标识，如：中国专利(申请号：02139152.1)及用II-VI半导体量子点或纳米粒子如CdS，ZnS为内核然后包裹SiO₂层，再淀积一层岛状的金层然后嫁接至生物分子上作检测，如中国专利(申请号02109898.2)，但均存在检测局限，且不能成为类似于微阵列多元的生物芯片进行多重生物分子的检测。

发明内容

本发明的目的在于提供一种有序SiO₂介孔组装的CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法。

为达到上述目的，本发明的构思是：在硅片或玻璃片，石英片的基底上，首先合成以SiO₂为基的有序介孔的膜，而后在若干偶联剂的作用下将CdS或ZnS等荧光纳米晶等组装在介孔的膜上，然后通过巯基化合物作用将其连接至生物分子或蛋白质上，由于介孔的有序性，使CdS(或ZnS)成为了可发射荧光的检测单元，使之具有与不同类型的多重生物活性物质(抗原，蛋白质，氨基酸)作用，成微阵列排布的生物芯片，达到检测的目的。

根据上述构思，本发明采用如下技术方案：

本发明的一种有序SiO₂介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法，其特征在于该方法具有以下步骤：

a.有序介孔SiO₂膜的制备，具体步骤为：

(1).根据需要选取玻璃片、硅片或石英片作为衬底，洗净，烘干，备用；

(2).将模板剂，在不断搅拌下，溶解在以乙醇和水按1∶1-3的体积比混合

成的混合溶剂中，配制成浓度为5×10^-3-5×10^-2M的溶液，再分别滴加0.05-0.5M的正硅酸乙酯溶液和0.05-0.5M的络合剂溶液形成混合液，使其中模板剂：正硅酸乙酯∶络合剂的摩尔比为1∶1～10∶1～10，继续搅拌使之反应2-5小时，然后让混合液在封口情况下老化5-7天；

(3).将准备好的衬底在上述老化液中，以20-36cm/分的速度拉膜，然后在

红外灯下烘干，并保存在干燥器内；

b.介孔组装偶联剂的连接：将经步骤a处理过的衬底放入甲苯溶液里，以完全浸没衬底为准，加热回流，并滴加三甲基氯硅烷，其用量与甲苯体积比为1∶6-10，回流10-24小时；然后取出衬底，放入乙醇溶液浸没后再回流1天-2天，取出后浸渍在正己烷溶剂中，加入偶联剂，其用量与所用正己烷的体积比为1∶8，回流16-48小时，作组装时“桥梁”，取出衬底烘干待用；

c.CdS或ZnS在介孔内的组装：将经步骤b处理后的衬底浸没在浓度为0.1-0.4M的镉盐或锌盐的乙醇溶液中，搅拌1-4小时，取出，用乙醇清洗，再浸没在浓度为0.2-0.8M的Na₂S乙醇溶液中，搅拌4-6小时，将衬底取出待用；

d.组装衬底的活化：将经步骤c处理的衬底浸没在0.2-0.8M的巯基化合物溶液，如巯基乙酸、或巯基丙酸、或巯基丁酸、或巯基乙醇中，搅拌反应1-12小时；然后，取出已由上述巯基化合物处理过的衬底，放入浓度为5-7×10^-2M的缩合剂1-乙基3(3甲基氨-丙基)碳化二亚胺-盐酸盐的溶液中浸渍，再将其浸渍在缓冲液PBS中去除多余的缩合剂，使之活化，最后取出衬底，即得到有序SiO2介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片。

上述的模板剂为：H(C₂H₄O)₁₀₆-(C₃H₆O)₇₀-(C₂H₄O)₁₀₆-H，即F127、或者十六烷基三甲基溴化铵，或者十六烷基三甲基氯化铵；所述的络合剂为：乙酰丙酮、或者三乙醇胺、或者乙二醇胺；所用的镉盐或锌盐有：CdCl₂、或ZnCl₂、或Cd(NO₃)₂、或Zn(NO₃)₂、或Cd(Ac)₂、或Zn(Ac)₂，所述的偶联剂有二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、或3-脲基丙基三甲氧基硅烷、或γ-氧基丙基三乙氧基硅烷

上述的衬底经拉膜后，衬底上有序SiO2介孔的孔径为3-6nm。

同现有技术相比，采用本发明制备的有序SiO₂介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片，由于介孔的有序性，使CdS(或ZnS)成为了可发射荧光的检测单元，使之具有与不同类型的多重生物活性物质(抗原，蛋白质，氨基酸)作用的能力，成微阵列排布的生物芯片，可作为多重生物活性物质的检测单元，从而达到检测的目的。而且组装在介孔的CdS与ZnS的分布均匀，且可以根据介孔大小调节其纳米晶颗粒，实现对于生物分子的荧光检测，解决多功效，高通量生物检测问题。若有序SiO₂的介孔壁与孔连在一起作为一组合单元计，其尺度可达25nm，则单位面积的介孔数为2.5×10¹⁰个/cm²，CdS在紫外光激发下产生480nm的荧光，ZnS在紫外光激发下产生408nm的荧光，可标识相关抗原、抗体。可见其检测范围在单位面积上的密度是十分高的。同时本发明制备的微阵列生物芯片具有荧光发光稳定性强，不易漂白，分辨高的特点。

具体实施方式

实施例一：具体步骤如下；

1.有序介孔SiO₂膜的制备：将面积12×30mm²玻璃片为衬底，经水洗、丙酮、乙醇清洗后，再以去离子水冲洗，将其置于红外灯下烘干。

2.将0.38摩尔模板剂十六烷基三甲基溴化铵在不断搅拌下溶解在100ml乙醇和30ml水混合而成的溶剂中，配制成1×10^-2摩尔浓度的F127溶液，搅拌5小时后，再分别滴加0.2摩尔浓度正硅酸乙酯溶液100ml及0.2摩尔浓度乙酰丙酮溶液100ml，继续搅拌3小时；将该混合液封口后老化(或陈化)5天。然后，将烘干的玻璃片浸入上述的混合液中，以26cm/分的速率缓慢提拉。取出后在红外灯下烘干，将涂有有序SiO₂介孔膜的玻璃片保存在干燥器内。

3.介孔组装偶联剂的连接：将上述涂有有序SiO₂介孔膜的玻璃片浸没在200ml甲苯溶液中，加热回流，同时滴加三甲基氯硅烷40ml，再回流24小时。取出载片，全部浸没在200ml乙醇中，回流24小时。取出后全部浸没在250ml正己烷中，再放入偶联剂——二乙烯三乙胺基丙基甲氧基硅烷25ml，回流18小时，取出玻璃片，烘干处理。

4.介孔内组装CdS：将经步骤3处理后的玻璃片全部浸没在浓度为0.3M的CdCl₂的乙醇溶液中，搅拌4小时，取出后再用乙醇清洗几次，然后再全部浸没在乙醇溶剂中，滴加浓度为0.35M Na₂S的乙醇溶液100ml。搅拌4小时，将载片取出真空干燥待用。

5.组装载片活化：将上述经步骤4处理的玻璃片，浸没在0.6M的巯基乙酸溶液中，搅拌反应7小时，取出该玻璃片浸渍在浓度为6.5×10^-2M的缩合剂1-乙基3(3甲基氨-丙基)碳化二亚胺-盐酸盐溶液中，并将其浸渍在缓冲液中(PBS)去除多余的EDC，使之活化，取出烘干，即可得到有序SiO₂介孔组装CdS微阵列生物芯片。

在使用过程中，可以滴加不同抗原于载片的不同位置，就可成为可检测不同抗体的、高通量的适宜荧光检测的一种微阵列的生物芯片。按介孔分布组装CdS计，其单位面积“CdS-抗原”单元为10¹¹个/cm²，单波长紫外激发下可见490nm荧光。

实施例二：该实施例与上述实施例基本相同，所不同的是：

1.以面积8×20mm²的硅片为衬底，

2.将2.5×10^-2摩尔模板剂P127在不断搅拌下溶解在150ml乙醇和50ml水混合而成的溶剂中，配制成5×10^-3摩尔浓度的溶液，搅拌5小时后，再分别滴加0.05摩尔浓度正硅酸乙酯溶液100ml及0.05摩尔浓度三乙醇胺溶液100ml，继续搅拌3小时；将该混合液封口后老化(或陈化)5天。然后，将烘干的玻璃片浸入上述的混合液中，以36cm/分的速率缓慢提拉。取出后在红外灯下烘干，将涂有有序SiO₂介孔膜的玻璃片保存在干燥器内；

3.采用的偶联剂为3-脲基丙基三甲氧基硅烷20ml；

4.介孔内组装CdS：将经步骤3处理后的玻璃片全部浸没在浓度0.2MZn(Ac)₂的乙醇溶液中；

5.组装载片活化：将上述经步骤4处理的玻璃片，浸没在0.2M浓度的巯基丙酸，溶液中，搅拌反应6小时，取出该玻璃片浸渍在浓度为5×10^-2M的缩合剂1-乙基3(3甲基氨-丙基)碳化二亚胺-盐酸盐溶液中，并将其浸渍在缓冲液中(PBS)去除多余的EDC，使之活化，取出烘干，即可得到有序SiO₂介孔组装ZnS微阵列生物芯片。

实施例三：该实施例与上述实施例基本相同，所不同的是：

1.以面积8×20mm²的硅片为衬底，

2.将0.18摩尔模板剂P127在不断搅拌下溶解在210ml乙醇和70ml水混合而成的溶剂中，配制成5×10^-2摩尔浓度的溶液，搅拌5小时后，再分别滴加0.5摩尔浓度正硅酸乙酯溶液100ml及0.5摩尔浓度乙二醇胺胺溶液100ml，继续搅拌3小时；将该混合液封口后老化(或陈化)7天。然后，将烘干的玻璃片浸入上述的混合液中，以20cm/分的速率缓慢提拉。取出后在红外灯下烘干，将涂有有序SiO₂介孔膜的玻璃片保存在干燥器内；

3.采用的偶联剂为γ-氧基丙基三乙氧基硅烷30ml；

4.介孔内组装CdS：上步骤3处理后的玻璃片全部浸没在浓度0.2M的Cd(NO₃)₂的乙醇溶液中；

5.组装载片活化：将上述经步骤4处理的玻璃片，浸没在0.8M浓度的巯基乙醇溶液中，搅拌反应12小时，取出该玻璃片浸渍在浓度为5×10^-2M的缩合剂1-乙基3(3甲基氨-丙基)碳化二亚胺-盐酸盐溶液中，并将其浸渍在缓冲液中(PBS)去除多余的EDC，使之活化，取出烘干，即可得到有序SiO₂介孔组装CdS微阵列生物芯片。

Claims (3)

1.一种有序SiO₂介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法，其特征在于该方法具有以下步骤：

a.有序介孔SiO₂膜的制备，具体步骤为：

(1).根据需要选取玻璃片、硅片或石英片作为衬底，洗净，烘干，备用；

(2).将模板剂，在不断搅拌下，溶解在以乙醇和水按1∶1-3的体积比混合成的混合溶剂中，配制成浓度为5×10^-3-5×10^-2M的溶液，再分别滴加0.05-0.5M的正硅酸乙酯溶液和0.05-0.5M的络合剂溶液形成混合液，使其中模板剂∶正硅酸乙酯∶络合剂的摩尔比为1∶1～10∶1～10，继续搅拌使之反应2-5小时，然后让混合液在封口情况下老化5-7天；

(3).将准备好的衬底在上述老化液中，以20-36cm/分的速度拉膜，然后在红外灯下烘干，并保存在干燥器内；

b.介孔组装偶联剂的连接：将经步骤a处理过的衬底放入甲苯溶液里，以完全浸没衬底为准，加热回流，并滴加三甲基氯硅烷，其用量与甲苯体积比为1∶6-10，回流10-24小时；然后取出衬底，放入乙醇溶液浸没后再回流1天-2天，取出后浸渍在正己烷溶剂中，加入偶联剂，其用量与所用正己烷的体积比为1∶8，回流16-48小时，作组装时“桥梁”，取出衬底烘干待用；

c.CdS或ZnS在介孔内的组装：将经步骤b处理后的衬底浸没在浓度为0.1-0.4M的镉盐或锌盐的乙醇溶液中，搅拌1-4小时，取出，用乙醇清洗，再浸没在浓度为0.2-0.8M的Na₂S乙醇溶液中，搅拌4-6小时，将衬底取出待用；

d.组装衬底的活化：将经步骤c处理的衬底浸没在0.2-0.8M的巯基化合物溶液，即巯基乙酸、或巯基丙酸、或巯基丁酸、或巯基乙醇中，搅拌反应1-12小时；然后，取出已由上述巯基化合物处理过的衬底，放入浓度为5-7×10^-2M的缩合剂1-乙基3(3甲基氨-丙基)碳化二亚胺-盐酸盐的溶液中浸渍，再将其浸渍在缓冲液PBS中去除多余的缩合剂，使之活化，最后取出衬底，即得到有序SiO2介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片。

2.根据权利要求1所述的有序SiO2介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法，其特征在于所述的模板剂为：H(C₂H₄O)₁₀₆-(C₃H₆O)₇₀-(C₂H₄O)₁₀₆-H，即F127、或者十六烷基三甲基溴化铵，或者十六烷基三甲基氯化铵；所述的络合剂为：乙酰丙酮、或者三乙醇胺、或者乙二醇胺；所用的镉盐或锌盐有：CdCl₂、或ZnCl₂、或Cd(NO₃)₂、或Zn(NO₃)₂、或Cd(Ac)₂、或Zn(Ac)₂，所述的偶联剂有二乙烯三胺基丙基甲基二甲氧基硅烷、或3-脲基丙基三甲氧基硅烷、或γ-氧基丙基三乙氧基硅烷。

3.根据权利要求1所述的有序SiO₂介孔组装CdS，ZnS微阵列生物芯片的制备方法，其特征在于上述的衬底经拉膜后，衬底上有序SiO2介孔的孔径为3-6nm。