CN102706836A - 一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明属一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置。包括芯片电沉积系统和原位在线检测系统，原位在线检测系统包括光源系统、传感系统、光谱分析系统及数据处理系统，光源系统提供光源，传感器系统、光谱分析系统依次位于光源后面，传感器系统中的样品流动池由光纤连接；光源发出的光经过光纤照射到探测芯片上，再由与光谱分析系统相连的光纤收集透射光，进入光谱分析系统分析光谱；并将采集到的数据传输到数据处理系统，进行数据处理。本发明可原位制备芯片，制备过程可同时通过电沉积系统和自身的在线检测系统进行质量监控；芯片不用拆卸和二次安装，可原位用于样品检测，有助于提高LSPR检测系统的稳定性和重复性；实时表征与在线检测。

Description

一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置

技术领域

本发明属于生化检测领域，涉及一种利用电化学沉积法原位制备局域表面等离子体共振（LSPR）芯片，并进行检测的方法和装置。一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置。

背景技术

传感技术是现代信息技术的三大支柱，在国家安全、科学试验、医疗卫生、以及环境检测方面发挥重要作用。而随着纳米材料技术的迅速发展，尤其是贵金属纳米粒子，由于其良好的导电性、小尺寸效应及高的表面化学活性，使其在化学传感器和生物传感器领域具有基础研究和实际应用价值，而其表现出的独特的光学性质--局域表面等离子体共振，备受关注。

目前关于制备LSPR 芯片的技术，已取得一定进展，多集中于先利用氧化--还原法，将含有金或银化合物的原料还原成纳米粒子。在反应过程中通过改变还原剂、还原剂用量和反应温度等条件来控制纳米粒子的尺寸、形状等。目前比较常见的方法有水相一步还原法、种子生长法、光化学合成法、离子刻蚀法、微乳法(反胶束法)、微波合成法等。然后通过亚微米印刷法、真空蒸镀法、纳米球印刷法(NSL)和层状自组装方法等将纳米粒子固定于基底，形成LSPR传感膜。然而，这些方法均是先制备好芯片，然后用于检测，步骤繁琐，稳定性差，有的成本还很昂贵，其研究只能处于实验室阶段，在其实现商业化之前，还存在着很多实际性的问题。电化学法制备纳米粒子已有研究，但用于LSPR技术的研究还很少。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有生化传感技术系统复杂、芯片制备过程繁琐、制备与检测相互孤立、成本高等缺点，利用电化学沉积法和局域表面等离子体技术，研发一种原位制备和检测一体化的免标记生化传感器芯片的方法与装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置，其方法特征在于：首先向传感系统的流动池（如图2和3）中以一定的流速循环注入电解液；同时采用芯片电沉积系统对导电玻璃进行表面修饰，原位制得局域表面等离子体共振（LSPR）芯片；然后根据实验需求注入配体或抗体溶液进一步对芯片表面修饰；最后往流动池中通入待测物进行检测。其装置特征在于：包括芯片电沉积系统和原位在线检测系统（如图1），其中所述芯片电沉积系统的功能是对芯片表面进行纳米材料修饰；原位在线检测系统包括光源系统、传感系统、光谱分析系统及数据处理系统，光源系统提供光源，传感器系统、光谱分析系统依次位于光源后面，由光纤连接；光源发出的光经过光纤照射到探测芯片上，再由与光谱分析系统相连的光纤收集透射光，进入光谱分析系统分析光谱；并将采集到的数据传输到数据处理系统，进行数据处理。

一种局域表面等离子体共振芯片的原位检测装置：包括芯片电沉积系统和原位在线检测系统，原位在线检测系统包括光源系统、传感系统、光谱分析系统及数据处理系统，光源系统提供光源，传感器系统、光谱分析系统依次位于光源后面，传感器系统中的样品流动池由光纤连接；光源发出的光经过光纤照射到探测芯片上，再由与光谱分析系统相连的光纤收集透射光，进入光谱分析系统分析光谱；并将采集到的数据传输到数据处理系统，进行数据处理。

本发明的传感系统是：光纤接口（1）连接光纤和样品流动池，芯片插入芯片插口（3），覆盖垫圈（4），光纤接口（1）在螺纹（2）中缓慢推移芯片，使芯片与垫圈（4）完全接触密封，样品池（5）为圆柱形，与芯片相对的另一面为石英玻璃（6），整个样品空间（5）密封，在石英片与另一光纤接口之间有一段空白区域（7），然后是螺纹（8）区域，另一光纤接口（9）也与光纤相连。

所述的所述样品流动池（2）中，进样口（12）与样品池（2）底部相通，出洋口（13）与样品池（2）顶部相通，样品由进样口（12）进入流动池（2）底部，逐渐充满样品池，然后从顶部的出样口（13）流出，铂丝电极（10）与进样口（12）相切，甘汞电极（11）与出样口（13）相切，进样口装有螺旋密封装置（14）。

本发明的一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法，首先向传感系统的流动池注入电解液；同时采用芯片电沉积系统对导电玻璃进行表面修饰，原位制得局域表面等离子体共振芯片；然后根据实验需求注入配体或抗体溶液进一步对芯片表面修饰；最后往流动池中通入待测物进行检测。

本发明的方法，具体步骤如下：

1）电解液由进样口以匀速缓慢进入样品池，并充满样品池；

2）接通电极，由芯片电沉积系统以一定电位对芯片进行电沉积修饰；

3）通入蒸馏水清洗芯片；

4）通入芯片表面修饰的溶液对芯片表面进行修饰；

5）光谱分析系统测试芯片光谱作为其基准值；

6）清洗芯片，并通入样品溶液；

7）光谱分析系统测试芯片光谱；

8）数据处理系统对数据进行处理，根据居于表面等离子体共振峰的移动监测样品污染物。

所述的电解液根据修饰溶液的不同而不同，含有银离子或者金离子。

所述的电沉积系统中，参比电极为甘汞电极（11），辅助电极为铂丝电极（10）。

所述的光源系统采用LED、或氘灯和钨灯，其光源的光谱范围在200-800nm。

样品流动池中样品空间体积小于200微升，光程小于3毫米。

所述的探测芯片基底材料为ITO导电玻璃，或FTO导电玻璃,或AZO导电玻璃。

所述的甘汞电极相切于出样通道（13），铂丝电极相切于进样通道（12）。

所述的原位在线检测系统可对电沉积系统进行在线光谱表征。

所述的探测芯片上可电镀银纳米粒子，或金纳米粒子，且纳米粒子形貌可控。

所述的探测芯片电沉积纳米粒子后，可进一步偶联探针。

所述的光源系统和传感系统以及传感系统和光谱分析系统之间由石英光纤连接。

所述的光谱分析系统包含光谱仪。

所述的数据处理系统由计算机及安装在计算机上的相关数据处理软件构成。

所述的局域表面等离子体共振芯片的原位制备装置可通过控制纳米粒子的形貌控制探测芯片的敏感度。

所述的探测芯片可用于检测核酸、蛋白质、致病微生物或环境污染物。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

本发明的方法可原位制备芯片，制备过程可同时通过电沉积系统和自身的在线检测系统进行质量监控；

本发明的方法制备的芯片不用拆卸和二次安装，可原位用于样品检测，有助于提高LSPR检测系统的稳定性和重复性；

本发明的方法要求不高，方法简易，操作方便；

本发明的方法条件可控，纳米粒子形貌可控；

本发明的装置样品池体积小，光程短；

本发明的装置灵敏度高；

本发明的装置小型化，可实时表征与在线检测。

附图说明

图1本发明传感器芯片原位制备及检测装置结构示意图

图2传感系统中样品流动池实物

图3传感系统中样品流动池内部结构半剖图

图4本发明生化传感器芯片原位制备及测试过程示意图

图5电沉积银纳米于芯片的透射扫描电镜图片

具体实施方式

下面结合具体实施方案方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，并且通过以下实施例，本领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。图1是本发明传感器芯片原位制备及检测装置结构示意图，图中表示该装置包括芯片电沉积系统和原位在线检测系统，原位在线检测系统包括光源系统、传感系统、光谱分析系统数据处理系统，光由光源发出，经光纤进入传感系统，照射到芯片和样品池上，再由光纤传到光谱分析系统，由光谱仪进行光谱分析，所得数据进入数据处理系统，由计算机进行数据处理。芯片电沉积系统与原位检测系统中的传感系统相连，对芯片进行在线电沉积。电解液以及样品经由进样口进入样品池，再从出样口流出。

实例1

本实施案例利用本发明局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置，用于制备芯片，控制芯片上纳米粒子的形貌，并原位检测其敏感度。所选择的电解液是0.05mM硝酸银、0.2mM柠檬酸钠、0.1M硝酸钾的混合溶液，电解液由进样口匀速进入流动池，电化学工作站与甘汞电极、铂丝电极，以及ITO玻璃相连，先扫描其线性扫描伏安曲线，确定电位1.0v，-0.3v，-0.5v，-1.0v，不同电位分别对其电沉积60s，蒸馏水清洗流动池及芯片，进样不同浓度的蔗糖溶液，以确定不同形貌的金纳米粒子对周围环境折射率的敏感度，敏感度分别为34nm/RIU，63nm/RIU,153nm/RIU,90nm/RIU。图5是-0.5v电位下电沉积芯片的透射扫描电镜图片。

实例2

本实施案例利用本发明局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法和装置，用于检测蛋白质。所选择的电解液是2mM氯金酸、0.5M硫酸、0.125mM L-半胱氨酸的混合液，-1.2v电位极化60s，通入超纯水清洗芯片，硫辛酸修饰芯片，通入PBS缓冲液清洗，然后通入等体积混合的NHS（0.4M）和EDC(0.1M)的水溶液，PBS缓冲液冲洗，含有兔IgG（0.2mg/ml）的PBS缓冲液通入到反应池内，然后通入0.3%（质量分数）的牛血清蛋白的PBS缓冲溶液封闭未结合的位点，测试芯片基准值，通入抗体蛋白质样品，检测光谱，通过波峰的移动检测样品中的蛋白质，可以检测出10^-9mol/L的抗体蛋白质。光源系统中的光源范围是200-800nm的氘灯和钨灯，光谱仪是KMC-A光谱仪，由光纤将传感系统连接于光源与光谱仪之间，光通过光纤传导，由光谱仪分析光谱，所采集的数据通过USB接口与计算机系统连接，由数据处理软件输出测试结果，通过吸光光谱波峰的移动来判断待测样品蛋白质的含量。

本发明适用于以下条件：

电解液由进样口以匀速缓慢进入样品池，并充满样品池；

1）接通电极，由芯片电沉积系统以一定电位对芯片进行电沉积修饰；

2）通入蒸馏水清洗芯片；

3）通入芯片表面修饰的溶液对芯片表面进行修饰；

4）光谱分析系统测试芯片光谱作为其基准值；

5）清洗芯片，并通入样品溶液；

6）光谱分析系统测试芯片光谱；

7）数据处理系统对数据进行处理，根据居于表面等离子体共振峰的移动监测样品污染物。

所述的电解液根据修饰溶液的不同而不同，含有银离子或者金离子。

所述的电沉积系统中，参比电极为甘汞电极（11），辅助电极为铂丝电极（10）。

所述的光源系统采用LED、或氘灯和钨灯，其光源的光谱范围在200-800nm。

样品流动池中样品空间体积小于200微升，光程小于3毫米。

所述的探测芯片基底材料为ITO导电玻璃，或FTO导电玻璃,或AZO导电玻璃。

所述的甘汞电极相切于出样通道（13），铂丝电极相切于进样通道（12）。

所述的原位在线检测系统可对电沉积系统进行在线光谱表征。

所述的探测芯片上可电镀银纳米粒子，或金纳米粒子，且纳米粒子形貌可控。

所述的探测芯片电沉积纳米粒子后，可进一步偶联探针。

所述的光源系统和传感系统以及传感系统和光谱分析系统之间由石英光纤连接。

所述的光谱分析系统包含光谱仪。

所述的数据处理系统由计算机及安装在计算机上的相关数据处理软件构成。

所述的局域表面等离子体共振芯片的原位制备装置可通过控制纳米粒子的形貌控制探测芯片的敏感度。

所述的探测芯片可用于检测核酸、蛋白质、致病微生物或环境污染物。

本发明与现有技术相比所具有的优点：

本发明的方法可原位制备芯片，制备过程可同时通过电沉积系统和自身的在线检测系统进行质量监控；

本发明的方法制备的芯片不用拆卸和二次安装，可原位用于样品检测，有助于提高LSPR检测系统的稳定性和重复性；

本发明的方法要求不高，方法简易，操作方便；

本发明的方法条件可控，纳米粒子形貌可控；

本发明的装置样品池体积小，光程短；

本发明的装置灵敏度高；

本发明的装置小型化，可实时表征与在线检测。

Claims (10)

1.一种局域表面等离子体共振芯片的原位检测装置：包括芯片电沉积系统和原位在线检测系统，其特征是原位在线检测系统包括光源系统、传感系统、光谱分析系统及数据处理系统，光源系统提供光源，传感器系统、光谱分析系统依次位于光源后面，传感器系统中的样品流动池由光纤连接；光源发出的光经过光纤照射到探测芯片上，再由与光谱分析系统相连的光纤收集透射光，进入光谱分析系统分析光谱；并将采集到的数据传输到数据处理系统，进行数据处理。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是所述的传感系统是：光纤接口（1）连接光纤和样品流动池，芯片插入芯片插口（3），覆盖垫圈（4），光纤接口（1）在螺纹（2）中缓慢推移芯片，使芯片与垫圈（4）完全接触密封，样品池（5）为圆柱形，与芯片相对的另一面为石英玻璃（6），整个样品空间（5）密封，在石英片与另一光纤接口之间有一段空白区域（7），然后是螺纹（8）区域，另一光纤接口（9）也与光纤相连。

3.如权利要求2所述的装置，其特征是所述的所述样品流动池（2）中，进样口（12）与样品池（2）底部相通，出洋口（13）与样品池（2）顶部相通，样品由进样口（12）进入流动池（2）底部，逐渐充满样品池，然后从顶部的出样口（13）流出，铂丝电极（10）与进样口（12）相切，甘汞电极（11）与出样口（13）相切，进样口装有螺旋密封装置（14）。

4.权利要求1的一种局域表面等离子体共振芯片的原位制备方法，其方法特征在于：首先向传感系统的流动池注入电解液；同时采用芯片电沉积系统对导电玻璃进行表面修饰，原位制得局域表面等离子体共振芯片；然后根据实验需求注入配体或抗体溶液进一步对芯片表面修饰；最后往流动池中通入待测物进行检测。

5.如权利要求4所述的方法，其特征是具体步骤如下：

1）电解液由进样口以匀速缓慢进入样品池，并充满样品池；

2）接通电极，由芯片电沉积系统以一定电位对芯片进行电沉积修饰；

3）通入蒸馏水清洗芯片；

4）通入芯片表面修饰的溶液对芯片表面进行修饰；

5）光谱分析系统测试芯片光谱作为其基准值；

6）清洗芯片，并通入样品溶液；

7）光谱分析系统测试芯片光谱；

8）数据处理系统对数据进行处理，根据居于表面等离子体共振峰的移动监测样品污染物。

6.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的电解液根据修饰溶液的不同而不同，含有银离子或者金离子。

7.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的电沉积系统中，参比电极为甘汞电极（11），辅助电极为铂丝电极（10）。

8.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的光源系统采用LED、或氘灯和钨灯，其光源的光谱范围在200-800nm。

9.如权利要求5所述的方法，其特征是样品流动池中样品空间体积小于200微升，光程小于3毫米。

10.如权利要求5所述的方法，其特征是所述的探测芯片基底材料为ITO导电玻璃，或FTO导电玻璃,或AZO导电玻璃。

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