CN102680439A

CN102680439A - 通用高效多底物检测光子晶体微芯片

Info

Publication number: CN102680439A
Application number: CN201210051957XA
Authority: CN
Inventors: 李风煜; 宋延林
Original assignee: Institute of Chemistry CAS
Current assignee: Institute of Chemistry CAS
Priority date: 2012-03-02
Filing date: 2012-03-02
Publication date: 2012-09-19

Abstract

本发明属于微纳米材料与光化学分析领域，涉及一种多禁带排列的光子晶体高效通用多底物检测分析微芯片。本发明利用多喷头精细喷墨打印技术与聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)聚合物纳米小球快速自组装，制备出成阵列排列的光子晶体芯片。芯片具有全带隙的光子晶体阵列设计，可对8-喹啉醇或丹磺酰氯标记的寡聚乙二胺等荧光化学传感器在不同的波长处进行荧光增强与放大，进而实现原本单一、简单化学传感器无法完成的对多底物的可识别检测与分析。本发明通过构建多禁带光子晶体微阵列实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，产品对各种复杂环境的多底物识别与检测具有广谱地通用性与很强的可操作性。

Description

通用高效多底物检测光子晶体微芯片

技术领域

本发明属于微纳米材料与光化学分析领域，特别涉及一种多禁带排列的光子晶体高效通用多底物检测分析微芯片。

背景技术

多底物、复杂环境检测与分析对工业、食品监测与生物活体分析具有十分现实的研究意义与应用前景。基于有机荧光化合物，尽管科学家们已经开发出数十万的可用于传感器的有机化合物，然而单一的化学传感器的响应性单一或十分有限，通常无法实现对多底物的识别与分析。基于组合化学设计与化合物阵列芯片技术，Anslyn等科学家们开发出利用多种传感器化合物组成传感器阵列，通过分析系列的不同化合物对检测物的差别性的响应，实现多底物的辨别与检测。然而这一方法需要大量、成系列的有机化合物作为传感器，针对不同的检测成分构建传感器阵列；而且整个过程涉及到有经验地组合化学设计、多步合成、化合物有效响应性筛选、传感器芯片设计与加工等复杂又繁琐的工序，在很大程度上限制了高效率检测芯片的开发与快速制备，使得多底物高效率检测芯片仍然停留在实验室与研究阶段。开发一种通用高效的检测芯片的制备与分析方法，利用尽量单一、普通易得的传感器化合物实现多底物的快速分析与检测，具有十分现实的应用价值与广阔的科学意义。

近些年随着纳米科学进步与研究的广泛展开，利用纳米技术提升材料的性能为开发新材料，改进器件性能提供了多方位的思路。光子晶体具有优秀的光传播调控性能，因其在各类光学器件、光导纤维通讯和光子计算、以及全色显示等领域广阔的前景，而引起广泛的重视。最近的研究显示光子晶体三维周期结构可对荧光染料的荧光发射形成慢光子效应，可实现对荧光发射数量级级别的增强。科学家们利用光子晶体的荧光增强效应，大量开展光子晶体在DNA等高灵敏检测与有机发光等方面的应用研究。在增加发光强度、提高检测灵敏度与降低检测限的同时，关于光子晶体在多底物复杂环境的分析与检测的研究还鲜有涉及。光子晶体在传感器芯片方面的应用与研究将提升传感器的灵敏度，同时将更加大地扩展多底物检测-复杂分析的应用，推动通用性、产品化高效便捷传感器的开发与应用推广。

同时，随着超小探针研究与技术的进步，微量灵敏分析与高密度的高通量检测与分析对微阵列芯片传感器提出了更高的要求。喷墨打印技术具有图案设计灵活、定位准确，多组份同时沉积等特点，广泛应用于半导体、电子器件等图案的精细准确制备。Moon J.等曾通过喷墨打印实现乳胶粒的自组装和单个液滴组成的光子晶体微阵列；我们课题组以绿色印刷技术为基础，设计合成硬核-软壳结构微粒乳胶液，在氢键诱导作用下实现高质量光子晶体喷墨打印[CN200710064245.0]。喷墨打印过程中乳胶粒的快速自组装可以实现光子晶体的快速打印。喷墨打印的精确单个墨滴(14-32pl)的控制和快速喷射(6000滴/秒)，在大面积制备图案化乳胶光子晶体制备的同时[CN 200810115540.9.]，通过对墨滴的精确控制可以快速制备光子晶体微阵列。

发明内容

本发明的主要目的在于开发了一种通用性的用于高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片。

本发明的目的之二在于利用光子晶体禁带对荧光信号的选择性调控作用，通过选择具有不同禁带的光子晶体，针对化学传感器对不同检测底物的荧光响应差别，进行选择性的放大。在具有多个禁带的光子晶体芯片，实现放大单一化学传感器多底物检测中响应的细微差异，以达到单一传感器无法或难于实现的多底物检测与分析。

本发明的目的之三在于利用光子晶体光子禁带对荧光的增强作用，放大化学传感器响应过程中的荧光信号，以提高传感器的检测灵敏度、降低检测限。

本发明的目的之四在于通过喷墨打印技术，精细控制乳胶液滴的喷涂与排列，利用聚合物乳胶粒的快速自组装，可制备从500-1000微米小至30-50微米点阵的光子晶体微芯片。该微芯片制备工艺具有精确、简便、快速，所制备的芯片具有检测密度更高(200倍于市场上现有的384孔板等芯片模版)等优点。

本发明的目的之五在于构建全带隙(全色彩)的光子晶体微阵列芯片，使之对整个可见光区域的荧光化学传感器具有广泛的应用性。

本发明的目的之六在于结合多禁带光子晶体微芯片与多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，建立一种通用多底物检测、识别与分析的方法。

本发明的目的之七在于结合多禁带光子晶体微芯片与8-喹啉醇、丹磺酰氯标记的寡聚乙二胺或氰代卟啉等莫一单一荧光化学传感器，在芯片上对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺等多种不同金属阳离子与F^-，Cl^-，Br^-，I^-，NO₃ ^-，ClO₄ ^-，HCO₃ ^-，HSO₃ ^-，HPO₃ ^2-，SO₄ ^2-，AcO^2-，CO₃ ^2-等多种不同酸根阴离子实施检测与识别。

本发明产品的制备方法如下：(如图1示意)

1)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备不同粒径(150-350nm)的乳胶微球。

2)将步骤1)所制备的具有不同粒径的乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5-1.0％的水/乙二醇(质量比为3∶2)溶液。

3)以步骤2)中所配制的溶液为墨水，将不同粒径的乳胶微球乳液墨水分别添加和导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

4)将步骤3)中所准备的乳胶液喷墨打印机与电脑进行控制连接，在电脑上进行多色点阵列模版设计。用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在玻璃或氧化铝平滑基底，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得多色(禁带)光子晶体微阵列芯片(如图2左图)。

本发明产品的使用方法如下：(如图1示意)

1)根据所需用的化学传感器荧光光谱，选择具有匹配光子禁带的光子晶体微阵列芯片。配制合适浓度(一般小于5.0mM)的化学传感器溶液，通过旋涂或浸涂将化学传感器均匀涂抹在芯片表面。

2)用荧光扫描仪或荧光显微镜对芯片在不同波长通道下进行荧光强度记录与成像。

3)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染。

4)用荧光扫描仪或荧光显微镜对检测物点染后的芯片在不同波长通道下进行荧光强度记录与成像。

5)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行主成分分析(PCA)、多级分组分析与线性差别分析，得出各检测底物的分组与组份相似性结果与识别分析。

本发明产品具有下列特点：

1)本发明在不同改变化学组成与分子结构的前提下，通过引入纳米结构(光子晶体)全面提升化学传感器的检测响应性能。

2)本发明可实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，避免了传统传感器芯片对多个、成系列化合的需求，从而绕开了组合化学设计、多步合成、有效响应性化合物的筛选等合成化学的繁琐工艺，具有优秀的环境友好性与化学经济性。

3)本发明通过构建全带隙的光子晶体阵列，对所有荧光发射在近紫外-可见区的化学传感器具有普遍适用性。实验已经证明本发明可应用于多种金属阳离子、阴离子等多底物的检测与分析。

4)本发明利用喷墨打印技术与氢键诱导下聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒的快速有序自组装，实现多禁带的光子晶体微芯片的制备。本发明具有工艺简便、快捷、易操作与成本低的特点。

5)本发明通过喷墨打印精细微控制，可制备30-50微米点阵的光子晶体微芯片，相比于传统的阵列检测芯片(96孔板与384孔板等)，本发明具有检测密度高(200倍于384孔板)。

附图说明

图1.本发明喷墨打印快速制备光子晶体微芯片与芯片上进行高通量多底物检测与分析的示意图。

图2.本发明的多禁带光子晶体阵列芯片光学照片(左一图)，与聚丙烯酸 -聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒有序排列的扫描电镜照片(右四图)。图中以所制备的900-1000微米的点阵，光子禁带在390nm、450nm、540nm与610nm处的光子晶体阵列芯片为例。

图3.本发明实施例1所使用的荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”，及其在四氢呋喃(THF)溶液中对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应的荧光光谱；与本发明制备的乳液微球自组装制备的全带隙光子晶体。

图4.本发明实施例1中，荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应，经统计学线性差别分析(LDA)所得到的识别与分析结果。如图，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组。

图5.本发明实施例1中，经统计学多级分组分析(HCA)所得到的，Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺10种金属阳离子的化学相似性分析结果。

图6.本发明实施例1中，荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应，线性差别分析(LDA)10种金属阳离子检测分别进行的7次重复实验分组与识别验证。10种金属阳离子被100％正确分组与识别验证。

具体实施方式

实施例1：

1)选择4-芘基-8-羟基喹啉为化学传感器，分别测量4-芘基-8-羟基喹啉在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃，FeCl₃，CoCl₂，NiCl₂，CuCl₂，ZnCl₂，HgCl₂，CdCl₂， CaCl₂，MgCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。(如图3)根据4-芘基-8-羟基喹啉金属阳离子响应的荧光光谱特征，选择禁带在390nm(近紫外)、450nm(蓝色)、540nm(黄色)与610nm(红色)的光子晶体组成阵列进行检测分析。

2)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备不同粒径(150-350nm)的乳胶微球。

3)将步骤2)所制备禁带在390nm(近紫外)、450nm(蓝色)、540nm(黄色)与610nm(红色)的光子晶体乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3∶2)溶液。

4)以步骤3)中所配制的溶液为墨水，将禁带为390nm(近紫外)、450nm(蓝色)、540nm(黄色)与610nm(红色)的光子晶体乳胶微球乳液分别以黑色墨水、蓝色墨水、黄色墨水和红色墨水导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

5)将步骤4)中所准备的乳胶液喷墨打印机与电脑进行控制连接，在电脑上设计间距为30微米的点阵，每行分别设置为灰、蓝、黄、红的不同颜色。用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在玻璃基底，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得多色(禁带)光子晶体微阵列芯片(如图2左图)。

6)配制浓度为1.0mM的4-芘基-8-羟基喹啉乙醇溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入4-芘基-8-羟基喹啉溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

7)在紫外灯(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在420nm、450nm、500nm和550nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

8)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染，点染后的芯片仍然在相同的测试条件下，用荧光扫描仪对芯片在420nm、450nm、500nm和550nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

9)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组(如图4.)。经过多级分组分析(HCA)，可以得到以上10种金属阳离子的化学相似性结果(如图5.)。

实施例2

1)选择8-喹啉醇为化学传感器，分别测量8-喹啉醇在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃，FeCl₃，CoCl₂，NiCl₂，CuCl₂，ZnCl₂，HgCl₂，CdCl₂，CaCl₂，MgCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。(如图3)根据8-喹啉醇金属阳离子响应的荧光光谱特征，选择禁带在390nm(近紫外)、450nm(蓝色)、540nm(黄色)与610nm(红色)的光子晶体组成阵列进行检测分析。

6)配制浓度为1.0mM的8-喹啉醇乙醇溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入8-喹啉醇溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

9)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“8-喹啉醇”多禁带光子晶体上，对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上10种金属阳离子的化学相似性结果符合元素化学理论，同时与实施例1中所得的10种金属阳离子的化学相似性相符合。

实施例3

1)选择丹磺酰-三聚乙二胺为化学传感器，分别测量丹磺酰-三聚乙二胺在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃，FeCl₃，CoCl₂，NiCl₂，CuCl₂，ZnCl₂，HgCl₂，CdCl₂，CaCl₂，MgCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。(如图3)根据丹磺酰-三聚乙二胺金属阳离子响应的荧光光谱特征，选择禁带在430nm(蓝色)、480nm(青色)、500nm(绿色)与550nm(黄色)的光子晶体组成阵列进行检测分析。

3)将步骤2)所制备禁带在430nm(蓝色)、480nm(青色)、500nm(绿色)与550nm(黄色)的光子晶体乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3∶2)溶液。

4)以步骤3)中所配制的溶液为墨水，将禁带为430nm(蓝色)、480nm(青色)、500nm(绿色)与550nm(黄色)的光子晶体乳胶微球乳液分别以黑色墨水、蓝色墨水、黄色墨水和红色墨水导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

6)配制浓度为1.0mM的丹磺酰-三聚乙二胺乙醇溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入丹磺酰-三聚乙二胺溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

9)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“丹磺酰-三聚乙二胺”多在禁带光子晶体上，对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上10种金属阳离子的化学相似性结果符合元素化学理论，同时与实施例1和实施例2中所得的10种金属阳离子的化学相似性相符合。

实施例4

1)选择2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉为化学传感器，分别测量2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉在四氢呋喃(THF)溶液中对NaF，NaCl，NaBr，NaI，NaNO₃，NaClO₄，NaHCO₃，NaHSO₃，Na₂HPO₃，Na₂SO₄，Na₂AcO，Na₂CO₃阴离子响应的荧光光谱。(如图3)根据2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉金属阳离子响应的荧光光谱特征，选择禁带在430nm(蓝色)、480nm(青色)、500nm(绿色)与550nm(黄色)的光子晶体组成阵列进行检测分析。

6)配制浓度为1.0mM的2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉的乙醇溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

9)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉”多在禁带光子晶体上，对F^-，Cl^-，Br^-，I^-，NO₃ ^-，ClO₄ ^-，HCO₃ ^-，HSO₃ ^-，HPO₃ ^2-，SO₄ ^2-，AcO^2-，CO₃ ^2-酸根阴离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，12种酸根阴离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上12种酸根阴离子的化学相似性结果符合元素化学理论。

Claims

1.本发明是开发了一种通用性的用于高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：利用精细喷墨打印与聚合物乳胶微球快速自组装技术，制备成阵列排列的多禁带光子晶体芯片，通过简单旋涂或浸涂将单一荧光化学传感器附着至光子晶体芯片；利用光子晶体光子禁带的高效选择性光调控性与慢光子效应荧光放大效果，对普通传统化学传感器响应性的响应灵敏度与多底物识别度大幅提升；结合多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测；本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。

2.根据权利要求1所述的精细喷墨打印制备光子晶体芯片，其特征是：通过嵌段共聚乳液聚合制备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，通过喷墨打印聚合物乳液，利用聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)聚合物乳胶微球快速自组装技术，在玻璃等基底上制备光子晶体阵列芯片。

3.根据权利要求1或2所述的精细喷墨打印制备光子晶体芯片，其特征是：本发明光子晶体芯片拥有多种具有不同光子禁带的光子晶体组成的多行多列阵列芯片，芯片上不同禁带光子晶体的组成可以设计与调整。

4.根据权利要求1或3所述的多禁带光子晶体芯片，其特征是：在检测前，通过简单旋涂或浸涂将单一荧光化学传感器附着至光子晶体芯片。

5.根据权利要求1或4所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：通过多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等方法，对光子晶体微芯片上多底物响应信号进行统计处理，实现对所检测的底物识别与分组分析。

6.根据权利要求1，4或5所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：本发明的光子晶体微芯片与其多底物检测分析技术已经成功实现单一“4-芘基-8-羟基喹啉”或“8-喹啉醇”或“丹磺酰-三聚乙二胺”荧光化学传感器对Al³⁺，Fe³⁺，Co²⁺，Ni²⁺，Cu²⁺，Zn²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，Ca²⁺，Mg²⁺等10种不同金属阳离子的检测与识别；也实现了单一“2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉”荧光化学传感器与F^-，Cl^-，Br^-，I^-，NO₃ ^-，ClO₄ ^-，HCO₃ ^-，HSO₃ ^-，HPO₃ ^2-，SO₄ ^2-，AcO^2-，CO₃ ^2-等12种不同酸根阴离子实施检测与识别。

7.根据权利要求1，4，5或6所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：利用光子晶体光子禁带的高效选择性光调控性与慢光子效应荧光放大效果，对普通传统化学传感器响应性的响应灵敏度与多底物识别度大幅提升，以实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测。

8.根据权利要求1，4，5或6所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。