CN101358242A - 基于光子晶体的复合式生物芯片 - Google Patents
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Abstract
基于光子晶体的复合型生物芯片的制作方法包括硬性基片的准备、光子晶体薄膜的制备、膜性基片的连接、基片的表面处理四个步骤，①硬性基片的准备：将普通硬性基片用肥皂水清洗干净，用去离子水冲洗后晾干；将基片表面修饰上氨基或羟基；②光子晶体的制备：将特定的根据检测信号的位置不同而不同大小的单分散的二氧化硅或聚苯乙烯等纳米微球，在处理好的基片表面上组装20－30um厚的光子晶体薄膜；③膜性基片的连接：在光子晶体薄膜表面平铺一层膜性基片，利用化学吸附或正负电荷之间相互作用使其牢固连接；④基片的表面处理：运用化学吸附等方法，将步骤③中形成的复合基片表面的膜层部分修饰上能与待测生物分子牢固连接的化学基团。
Description
技术领域
本发明描述了一种新型基于光子晶体结构的复合式生物芯片的制备方法，包括基片，这种芯片的基片综合了硬性基片、光子晶体以及膜性基片的优点，具有制作成本相对较低、高灵敏度、可以批量生产和实用性强等特点，可应用于生物检测、药物开发、疾病诊断等领域。
背景技术
光子晶体是由两种或两种以上，具有不同介电常数的材料在空间上按照一定的周期顺序所形成的有序结构。这样的结构对特定波长的光具有禁止通过的作用，即光子禁带。光子禁带的存在使光子晶体具有优异的光操控能力，频率位于带隙中的光波将被光子晶体全反射。从20世纪90年代中后期开始，光子晶体就因为其巨大的科学价值和广阔的应用前景，受到各国政府、军方、学术机构以及高新技术产业界的高度重视。光子晶体的优异性质光学、光子学性质是其在许多领域中都有应用，例如：光子晶体波导、光子晶体激光器以及生物传感等方面。
在实际应用中，胶体晶体由于制备简单、价格低廉而受到了广泛的青睐。直径为亚微米、单分散的无机或聚合物胶体微球在重力、静电力或毛细力的作用下可以自组装形成二维或三维的有序排列。常用的亚微米级的胶体粒子有二氧化硅(SiO2)、聚苯乙烯(PS)以及聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)等，此外还有一些单分散的无机有机复合物粒子和有机共聚物粒子等。根据布拉格衍射方程，小球的直径大小将影响密堆积胶体晶体的光子禁带位置。
生物芯片是指采用光导原位合成或微量点样等方法，将大量生物大分子有序地固化于支持物的表面，组成密集二维的分子阵列，然后与已标记的待测生物样品中靶分子杂交，通过特定的仪器比如激光共聚焦扫描对杂交信号的强度进行快速、并行、高效地检测分析，从而判断样品中靶分子的数量的一种生物检测的载体。其作用是连接、吸附或包埋各种探针分子，并提供芯片杂交、洗片和扫描的支持平台。
目前使用的生物芯片的基片可以分为三大类：
一.膜性基片：主要有尼龙膜，硝酸纤维素膜等。这类基片具有三维立体结构，
并且与生物分子亲和力强，杂交技术成熟。但是由于其背景较强，只能进行单样本杂交，灵敏度较低，需要用放射性物质标记。因而应用范围受限。
二.硬性基片：其中玻片使用最多，另外还有塑料片，硅片等。这类基片具有一定的刚性，荧光背景低，价格低廉，耐高温和高离子强度，并且样品不易扩散，杂交液体积少，因而在生物芯片技术中使用最广泛。但其二维平面结构阻碍生物分子在空间的伸展，易造成空间位阻，所以在低浓度检测中仍需要改进。
三.复合型基片：这类基片将三维基片的高亲和性和玻片的刚性结合起来，获得了很好的使用效果。例如Schleicher& Schuell公司的CAST Slides将带正电荷尼龙膜附着在玻片上，形成一种膜结合玻片。PerkinElimer公司的Hydro gel Coated Slides将玻片表面包被一种专利的聚合物，大大提高基片与DNA的结合能力，提高检测灵敏度。
发明内容
技术问题：本发明的目的是制作一种基于光子晶体的复合型生物芯片。这种芯片具有检测信号强、灵敏度高和点样质量高等优点，为生物芯片的研究提供了一个高性能的平台。
技术方案：本发明的目的可以通过以下方案来实现：在普通硬性基片表面利用亚微米(纳米粒子)自组装的办法制备光子晶体薄膜，然后在光子晶体薄膜上平铺一层膜性基片，对其表面进行化学修饰后，即可应用于各种生物分子的检测。
该方法包括硬性基片的准备、光子晶体薄膜的制备、膜性基片的连接、基片的表面处理四个步骤，
①硬性基片的准备：将普通硬性基片用洗涤液清洗干净，用去离子水超声冲洗后晾干。根据需要可以用化学修饰或等离子体处理的方法，将基片表面修饰上氨基或羟基等。
②光子晶体的制备：将单分散的二氧化硅或聚苯乙烯等纳米微球，加去离子水稀释，调节质量百分数为2％-2.5％，超声分散开，形成较稳定的胶体乳液。利用自组装法在步骤①处理好的基片表面上组装20um左右厚的光子晶体薄膜。然后，基片放在80度的烘箱中2h，驱除分散介质，使得粒子之间堆积更紧密牢固。
③膜性基片的复合：在光子晶体薄膜表面平铺一层膜性基片(例如：水凝胶)，利用化学吸附或正负电荷之间相互作用等使其牢固结合。
④基片的表面处理：运用化学吸附等方法，将步骤③中形成的复合基片表面的膜层部分修饰上能与待测生物分子牢固连接的化学基团。
所述的硬性基片是玻片、硅片或塑料片。
制备光子晶体薄膜的材料是二氧化硅、聚苯乙烯、磁性复合纳米粒子或量子点复合纳米粒子。
膜性基片为水凝胶、尼龙膜或硝酸纤维素膜。
有益效果：在本发明中，我们采用了传统的硬性基片和膜性基片，并引入胶体光子晶体薄膜。从而使得复合式生物芯片的性能大大提高，由于光子晶体薄膜仅对频率处在光子禁带范围内的信号有增强作用，所以该生物芯片可以对不同的信号选择性的增强。
这种方法可以为生物芯片技术中的生物分子反应和检测提供了一个高性能的平台，而且还可以把光子晶体的应用范围拓展到生物芯片领域中，进一步促进新型材料的发展和应用。
具体实施方式
实施例1：
1、先将普通载玻片用洗涤液洗净，然后用去离子水超声冲洗3遍，无尘处晾干备用。
2、二氧化硅光子晶体制备方法：通过温控法控制二氧化硅纳米粒子的粒径，例如若待测信号为cy3，其发射波长为570nm，则调节油浴温度至40度，选用快速间隙式加料法，首先88ml无水乙醇和3.2ml正硅酸乙酯混合液与20ml的氨水和88ml无水乙醇混合液，加入到烧瓶中，并同时开始搅拌，转速为350转/分钟；然后加入16ml氨水；5-10分钟后加入176ml无水乙醇和4ml正硅酸乙酯混合液。反应3个小时后，可以得到单分散性很好的二氧化硅纳米粒子。离心纯化后，调节其浓度至2.2％，采用重力沉积法，在步骤1中制得的载玻片上获得约30um厚的光子晶体薄膜。将基片放到80度烘箱中加热2h，使得粒子连接更紧密。最后，用5％的APTES酒精溶液浸泡载玻片半小时，再用去离子水冲洗3遍，晾干待用。
3、平铺琼脂糖膜的方法：称0.4g琼脂糖，将其溶解于100ml去离子水中，加热使其沸腾，在步骤2制得的基片表面上浇注琼脂糖溶液，每张载玻片2ml，使其均匀平铺于基片表面，待其凝固后置37℃烘干，便制得复合式生物芯片。
4、基片表面的修饰：将复合基片置于0.2mol/L NaIO4溶液中，室温氧化30min，再用蒸馏水洗片3次，每次5min，在此基础上，再将基片浸入到含1％戊二醛0.01mol/L磷酸盐缓冲液(PBS，pH7.4)溶液中，37℃环境下作用2h后，用去离子水洗片3次，每次5min，晾干后即可使用。
实施例2：
1、塑料片的准备：首先制作尺寸为76.2mm*25.4mm*1mm的PS塑料片，然后冷却至室温。用去离子水超声清洗塑料片，并用氧等离子体对其表面进行氧化处理。
2、聚苯乙烯光子晶体制备方法：在氮气保护下，将10ml苯乙烯，225ml超纯水和1ml的甲基丙烯酸加入三口瓶中，在350r/min的转速下搅拌。升温至70℃，稳定后加入0.32g过硫酸钾作为引发剂，反应至少10h，即可得到粒径为245nm左右的聚苯乙烯微球。离心纯化后，用去离子水将微球浓度调制2-2.5％，超声分散开。把步骤1中制得的塑料片固定在提拉仪上，以1.6um/s的速度向上提拉，微球就会在塑料片表面自组装成光子晶体。
3、水凝胶膜的制备：将质量百分数为10％的丙烯酰胺和甲叉双丙烯酰胺混合液稀释至为4％(体积比)，加引发剂偶氮异二丁腈(1％，质量体积比)混匀后，通入氮气2-4min，然后将其平铺在步骤2制作的基片表面上，静置20min。最后，在20℃下高压汞灯照射聚合30min，可得复合式生物芯片。
实施例3：
1、硅片的准备：将购买的普通硅片洗净，并用氧等离子体对其表面进行氧化处理。
2、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)光子晶体的制备：PMMA的制备采用在沸腾温度下的无皂悬浮聚合法。首先将40ml的甲基丙烯酸甲酯放入细颈瓶中，加入0.1ml的甲基丙烯酸和150ml的超纯水，搅拌下加热至沸腾，沸腾后5分钟加入引发剂过二硫酸钾，反应1.5h。离心纯化后，用去离子水将微球浓度调制2-2.5％，超声分散开。把步骤1中制得的硅片固定在提拉仪上，以1.6um/s的速度向上提拉，微球就会在硅片表面自组装成光子晶体。
3、平铺琼脂糖膜的方法：同实施例1所述。
Claims (4)
1、一种基于光子晶体的复合型生物芯片的制作方法，其特征在于该芯片的制作包括硬性基片的准备、光子晶体薄膜的制备、膜性基片的连接、基片的表面处理四个步骤，
①硬性基片的准备：将普通硬性基片用肥皂水清洗干净，用去离子水冲洗后晾干；根据需要可以用化学修饰或等离子体处理的方法，将基片表面修饰上氨基或羟基；
②光子晶体的制备：将特定的根据检测信号的位置不同而不同大小的单分散的二氧化硅或聚苯乙烯等纳米微球，加去离子水稀释，调节质量百分数为2％-2.5％，超声分散开，利用自组装法在步骤①处理好的基片表面上组装20-30um厚的光子晶体薄膜；之后，基片放在80度的烘箱中2h，使得粒子之间连接更紧密牢固；
③膜性基片的连接：在光子晶体薄膜表面平铺一层膜性基片，利用化学吸附或正负电荷之间相互作用使其牢固连接；
④基片的表面处理：运用化学吸附等方法，将步骤③中形成的复合基片表面的膜层部分修饰上能与待测生物分子牢固连接的化学基团。
2、如权利要求1所述的基于光子晶体的复合型生物芯片的制作方法，其特征在于所述硬性基片是玻片，硅片或塑料片。
3、如权利要求1所述的基于光子晶体的复合型生物芯片的制作方法，其特征在于：制备光子晶体薄膜的材料是二氧化硅、或聚苯乙烯、磁性复合纳米粒子或量子点复合纳米粒子。
4、如权利要求1所述的基于光子晶体的复合型生物芯片的制作方法，其特征在于膜性基片为水凝胶、尼龙膜或硝酸纤维素膜。
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