CN100565185C - 一种光子晶体复合编码微球及制备方法 - Google Patents

Abstract

光子晶体复合编码微球及制备方法，涉及一种微球由光子晶体特异的光反射峰以及外层吸附的量子点特征发射峰和特征发射峰强度来组合编码的方法，其特征在于由胶体粒子组装成微球后，用层层组装的方法将量子点包裹在光子晶体微球表面，通过包裹不同的量子点和不同的量子点层数，使得量子点编码与光子晶体微球编码相结合，编码量大大增加。这种聚合物微球所用编码稳定性好，易控制，制作成本低廉，简单高效，检测通量大等优点。

Description

一种光子晶体复合编码微球及制备方法

技术领域

本发明涉及一种微球由光子晶体特异的光反射峰以及外层吸附的量子点特征发射峰和特征发射峰强度来复合编码的方法，属于生物医学研究、环境监测和临床检测的技术领域。

背景技术

人类基因组序列得以解码之后，基因的功能以及基因编码的蛋白质之间的相互作用成为研究的热点，人类进入了后基因组时代。后基因组时代的一个显著特点就是要研究大量的蛋白与核酸之间、蛋白质与蛋白质之间以及蛋白质与药物之间的相互作用，这些相互作用的研究在采用传统的试验方法几乎是不可能的，因此需要一种高通量的试验平台。而高通量的试验平台则要求有高通量的分子载体，来标识不同的分子发生的不同相互作用，即所谓的编码过程。阵列式生物芯片利用分子所固定的不同位置也就是坐标作为编码来区别不同的生物分子，但是由于阵列式生物芯片的坐标只能是固定在二维空间内，因此限制了反应的速度及其应用。近年来新型的编码载体相继出现。聚合物微球的制作和应用已经有几十年的历史了，其粒径大小从微米级别一直扩展到纳米级别。但是作为一种固相编码载体以及标记，微球成为高通量筛选以及组合化学等领域关注的热点。

相对于其他形式的固相载体，微球具有显著的优势：第一，微球的比表面积大，能够增加有效反应表面积与体积之比，因此可以使表面的化学反应在更小的体积内进行；第二，采用微球作为载体可以利用一些其他辅助手段如搅拌、液体冲刷等实现一种介于固-液反应和液-液反应之间的反应体系，从而加快体系的反应速度；第三，微球表面结合的分子在反应完成之后可以方便的从溶液中分离出来；第四，随着微球表面功能化基团的改变，可以扩展微球的用途。

目前微球的编码载体主要有荧光编码微球、量子点编码微球、纳米条形码编码微球、组合化学编码微球、光子晶体编码颗粒、胶体条编码等。荧光编码微球是将两种不同的荧光染料按照精确的比例掺入聚合物微球基质内，根据微球内这两种荧光染料的比例的不同而把微球分为不同种，从而实现微球的编码。纳米条形码可以是能够用SPM分辨的任何分子或复合物，诸如碳纳米管、富勒烯、亚微米金属条形码、纳米颗粒或量子点。这些编码方式及编载体的制备相对复杂，并且解码过程需要的检测设备复杂，成本较高。另外，采用荧光染料编码还存在着光褪色、发射光的发射峰难以区分和生物相容性等问题。量子点编码微球则是利用半导体纳米晶体发光量子点的不同荧光和不同荧光强度进行编码。与传统的有机荧光分子相比，量子点具有明显的优越性：激发光谱宽，发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，光化学稳定性高，不易光解。量子点有连续的激发光谱，而且可以通过调节晶体颗粒的大小以得到连续发射光谱。量子点的发射光谱很窄，所以仅用一种波长的光就可以同时激发多种大小的量子点，这样一来，用最小的光谱带隙就可以得到多种颜色的发射光。

本发明就是将量子点编码和光子晶体编码相结合，大大增加了编码量，如果m种特征发射峰的量子点有n种特征发射峰强度，那么就可以得到n^m-1种编码，同时可以有k种不同编码的光子晶体微球，那么编码量就可以达到k(n^m-1)种。而且用层层吸附的方法将量子点固定在微球外表面，制备方法简单，易于检测，简化检测步骤，降低检测成本等诸多优点。

发明内容

技术问题：本发明的目的是提供一种光子晶体复合编码微球的制备方法，这种光子晶体微球粒径范围在200μm到6mm之间，可以作为高通量筛选及多重生物分析和检测的载体，其编码方式和制备方法简单高效，编码量大，能降低检测设备的复杂度和检测成本。通过对光子晶体复合编码微球的检测可以同时测定待测分子的浓度和种类等信息。

技术方案：本发明的光子晶体复合编码微球可以通过以下方案实现：

用层层组装的方法将量子点包裹在编码的光子晶体微球表面，通过包裹不同的量子点和不同的量子点层数，使得量子点编码与光子晶体微球编码相结合，编码量大大增加。所述光子晶体微球是胶体粒子有序自组装的蛋白石结构光子晶体，或是反蛋白石结构的光子晶体。所述的量子点为硫化镉CdS，硒化镉CdSe，碲化镉CdTe或核壳性量子点。所述的核壳性量子点为硫化锌包硒化镉CdSe@ZnS量子点。所述的编码的光子晶体微球为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸乙酯中的一种；或为二氧化硅微球、或是二氧化钛微球。

本发明的的一种光子晶体复合编码微球的制备方法具体包括以下步骤：

1)选取不同编码的光子晶体微球，对其进行表面处理，得到带负电的光子晶体编码微球；其中光子晶体微球为乙烯类聚合物微球或为无机的光子晶体微球；

2)利用层层吸附的方法，先在光子晶体微球表面吸附正聚电解质，然后吸附负聚电解质，再吸附正聚电解质后，将不同特征发射峰的量子点吸附在微球外表面；

3)要吸附不同层数或不同种类大小的量子点，层与层之间用三层聚电解质隔开；

4)在最外层的量子点再继续吸附四层聚电解质，以便于检测。

所述的正聚电解质可以是聚丙烯胺盐酸盐PAH，也可以是聚乙烯亚胺PEI；所用的负聚电解质是聚苯乙烯磺酸钠PSS，也可以是聚丙烯酸PAA。所述的量子点编码为量子点的特征发射峰，利用不同量子点的特征发射峰作为不同的量子点编码。所述的量子点编码为量子点的特征发射峰的强度，通过吸附不同层数的量子点来控制其特征发射峰的强度，利用不同特征发射峰的强度作为不同的量子点编码。所述的量子点的编码为其特征发射峰和其特征发射峰强度的组合，利用吸附不同种类和不同层数来控制量子点的特征发射峰和其特征发射峰的强度。

有益效果：根据本发明利用量子点编码和光子晶体混和多重编码的方法，制备了光子晶体复合编码微球，具有以下优点：

1)采用量子点编码和光子晶体混和多重编码，极大的扩充了编码量，如果m种特征发射峰的量子点有n种特征发射峰强度，那么就可以得到n^m-1种编码，同时可以有k种不同的光子晶体微球，那么编码量就可以达到k(n^m-1)种。可以满足同时检测多个指标的需要，也可以满足高通量检测的需要；

2)量子点包覆的光子晶体微球的解码方法简单，仅用一种波长的光就可以同时激发多种大小的量子点，同时用同类但不同大小的量子点来标记待检测物，在解码的同时也可以读出待检测物的浓度，因此反应结束只需要检测量子点特征发射峰和光子晶体的特征反射峰，就可以同时获悉待测分子的种类以及含量，检测过程简单，而且快速。

3)这种光子晶体复合编码微球的制备方法简单，分别选取不同编码的光子晶体微球，再用层层吸附上不同层数和不同种类的量子点，容易控制，制作成本低廉，简单高效；

4)这种光子晶体复合编码微球所用编码稳定性好，量子点激发光谱宽，发射光谱呈对称分布且宽度窄，颜色可调，光化学稳定性高，不易光解。因此不会存在荧光颜料的光漂白和光猝灭等现象，在应用过程中始终保持稳定的编码；

5)应用范围广，可以在制备成光子晶体复合编码微球后，在其外层再吸附电解质，就可以固定不同的功能集团，实现微球的功能化，从而提供与所要固定的分子化学偶联的条件。

附图说明

图1为蛋白石结构光子晶体微球生成的示意图。

图2为利用层层组装法制备光子晶体复合编码微球的示意图。

具体实施方式

制备一种光子晶体复合编码微球，要选取不同编码的光子晶体微球，用层层组装的方法将量子点包裹在光子晶体微球表面，通过包裹不同的量子点和不同的量子点层数，使得量子点编码与光子晶体微球编码相结合，编码量大大增加。

光子晶体微球的编码为光子晶体反射光谱中特征反射峰波长的数值。光子晶体微球可以是胶体粒子有序自组装的蛋白石结构光子晶体，也可以是反蛋白石结构的光子晶体。量子点的编码可以为其特征发射峰，也可以为其特征发射峰的强度，还可以为其特征发射峰和其特征发射峰的强度组合，通过吸附不同种类和不同层数来控制量子点的特征发射峰和其特征发射峰的强度。量子点一般为水溶性量子点，可以为CdS，CdSe，CdTe及一些核壳性量子点如CdSe@ZnS等。所用的正聚电解质可以是聚丙烯胺盐酸盐(PAH)，也可以是聚乙烯亚胺(PEI)；所用的负聚电解质是聚苯乙烯磺酸钠(PSS)，也可以是聚丙烯酸(PAA)。

制备方法包括以下步骤：

选取不同编码的光子晶体微球，对其进行表面处理，得到带负电的光子晶体编码微球；

利用层层吸附的方法，先在光子晶体微球表面吸附正聚电解质，然后吸附负聚电解质，再吸附正聚电解质后，将不同特征发射峰的量子点吸附在微球外表面；

要吸附不同层数或不同种类大小的量子点，层与层之间用三层聚电解质隔开；

在最外层的量子点再继续吸附四层聚电解质，以便于检测。

同时用同类但不同大小的量子点来标记待检测物，在解码的同时也可以读出待检测物的浓度，因此反应结束只需要检测量子点发射光谱和光子晶体的发射峰，就可以同时获悉待测分子的种类以及含量。

实施例一。水溶性CdTe标记聚苯乙烯微球的制备

1分别选取600nm和540nm编码的聚苯乙烯微球，由于合成的聚苯乙烯粒子带有羧基，则制备的微球表面也带有负电荷。

2将制备好的微球首先浸泡在1mg/mL PAH的0.5mol/L NaCl溶液中，静置吸附20分钟，用超纯水冲洗三次，将多余的PAH洗掉。再将微球浸泡在1mg/mLPSS的0.5mol/L NaCl溶液中，同样静置吸附离心洗涤。再吸附一层PAH后，将微球浸泡在巯基乙酸修饰的CdTe₅₄₀(发射光谱在540nm)水溶液中，静置吸附60分钟后离心洗涤。

3重复上述步骤。吸附三层聚电解质后，再吸附第二层CdTe₅₄₀。以此类推，在吸附了三层CdTe₅₄₀后，再继续包裹三层CdTe₅₈₀。在最外层的量子点再吸附四层聚电解质。

4将包被过的编码微球混合，得到两种不同特异性的复合编码微球。即光子晶体微球的编码分别为600nm和540nm，量子点编码为CdTe₅₄₀∶CdTe₅₆₀＝3∶3的光子晶体复合编码微球。

实施例二。水溶性CdTe标记二氧化硅微球的制备

1分别选取400nm，460nm和540nm编码的二氧化硅微球，将其浸入70％(V/V₀)硫酸和30％的双氧水溶液中过夜，使得制备的微球表面带有负电荷。

2将制备好的微球首先浸泡在1mg/mL PAH的0.5mol/L NaCl溶液中，静置吸附20分钟，用超纯水冲洗三次，将多余的PAH洗掉。再将微球浸泡在1mg/mLPSS的0.5mol/L NaCl溶液中，同样静置吸附离心洗涤。再吸附一层PAH后，将微球浸泡在巯基乙酸修饰的CdTe₅₄₀(发射光谱在540nm)水溶液中，静置吸附60分钟后离心洗涤。

3重复上述步骤。吸附三层聚电解质后，再吸附第二层CdTe₅₄₀。以此类推，在吸附了三层CdTe₅₄₀后，再继续包裹五层CdTe₅₈₀，然后再吸附三层CdTe₆₂₀。在最外层的量子点再吸附四层聚电解质。

4将包被过的编码微球混合，得到三种不同特异性的复合编码微球。即光子晶体微球的编码分别为400nm，460nm和540nm，量子点编码为CdTe₅₄₀∶CdTe₅₈₀∶CdTe₆₂₀＝3∶5∶3的光子晶体复合编码微球。

实施例三。水溶性CdTe标记二氧化硅微球的制备

1选取540nm编码的二氧化硅微球，将其浸入70％(V/V₀)硫酸和30％的双氧水溶液中过夜，使得制备的微球表面带有负电荷。

2将制备好的微球首先浸泡在1mg/mL PAH的0.5mol/L NaCl溶液中，静置吸附20分钟，用超纯水冲洗三次，将多余的PAH洗掉。再将微球浸泡在1mg/mLPSS的0.5mol/L NaCl溶液中，同样静置吸附离心洗涤。再吸附一层PAH后，将微球浸泡在巯基乙酸修饰的CdTe₅₄₀(发射光谱在540nm)水溶液中，静置吸附60分钟后离心洗涤。

3重复上述步骤。吸附三层聚电解质后，再吸附第二层CdTe₅₄₀。以此类推，在吸附了三层CdTe₅₄₀后，在最外层的量子点再吸附四层聚电解质，得到一种复合编码微球。

4同样用540nm编码的二氧化硅微球，在吸附三层CdTe₅₄₀后，再继续包裹六层CdTe₅₈₀，在最外层的量子点再吸附四层聚电解质，得到另外一种编码微球。

5同样用540nm编码的二氧化硅微球，在吸附三层CdTe₅₄₀后，再继续包裹三层CdTe₅₈₀，然后再吸附三层CdTe₆₂₀，在最外层的量子点再吸附四层聚电解质，得到另外一种编码微球。

6将包被过的编码微球混合，得到三种不同特异性的复合编码微球。即光子晶体微球的编码为540nm，量子点编码分别为CdTe₅₄₀＝3，CdTe₅₄₀∶CdTe₅₆₀＝3∶6，CdTe₅₄₀∶CdTe₅₈₀∶CdTe₆₂₀＝3∶3∶3的光子晶体复合编码微球。

Claims (8)

1.一种光子晶体复合编码微球，其特征在于用层层组装的方法将量子点包裹在编码的光子晶体微球表面，通过包裹不同的量子点和不同的量子点层数，使得量子点编码与光子晶体微球编码相结合，编码量大大增加；

所述光子晶体微球是胶体粒子有序自组装的蛋白石结构光子晶体，或是反蛋白石结构的光子晶体；

所述的量子点为硫化镉CdS，硒化镉CdSe，碲化镉CdTe或核壳性量子点。

2.根据权利要求1所述的一种光子晶体复合编码微球，其特征在于所述的核壳性量子点为硫化锌包硒化镉CdSe@ZnS量子点。

3.根据权利要求1所述的一种光子晶体复合编码微球，其特征在于所述的编码的光子晶体微球为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚丙烯腈、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸乙酯中的一种；或为二氧化硅微球、或是二氧化钛微球。

4.一种如根据权利要求1所述的一种光子晶体复合编码微球的制备方法，其特征在于制备方法具体包括以下步骤：

1)选取不同编码的光子晶体微球，对其进行表面处理，得到带负电的光子晶体编码微球；其中光子晶体微球为乙烯类聚合物微球或为无机的光子晶体微球；

2)利用层层吸附的方法，先在光子晶体微球表面吸附正聚电解质，然后吸附负聚电解质，再吸附正聚电解质后，将不同特征发射峰的量子点吸附在微球外表面；

3)要吸附不同层数或不同种类大小的量子点，层与层之间用三层聚电解质隔开；

4)在最外层的量子点再继续吸附四层聚电解质，以便于检测。

5.根据权利要求4所述的一种光子晶体复合编码微球的制备方法，其特征在于所述的正聚电解质可以是聚丙烯胺盐酸盐PAH，也可以是聚乙烯亚胺PEI；所用的负聚电解质是聚苯乙烯磺酸钠PSS，也可以是聚丙烯酸PAA。

6.根据权利要求4所述的一种光子晶体复合编码微球的制备方法，其特征在于所述的量子点编码为量子点的特征发射峰，利用不同量子点的特征发射峰作为不同的量子点编码。

7.根据权利要求4所述的一种光子晶体复合编码微球的制备方法，其特征在于所述的量子点编码为量子点的特征发射峰的强度，通过吸附不同层数的量子点来控制其特征发射峰的强度，利用不同特征发射峰的强度作为不同的量子点编码。

8.根据权利要求4所述的一种光子晶体复合编码微球的制备方法，其特征在于所述的量子点的编码为其特征发射峰和其特征发射峰强度的组合，利用吸附不同种类和不同层数来控制量子点的特征发射峰和其特征发射峰的强度。

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