CN102836804B - 一种结合旋涂法和afm技术的超薄生物薄膜的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种生物薄膜的制备方法，属于生物薄膜制备领域。其中，该生物薄膜的制备方法包括：利用旋涂法将生物分子溶液喷射在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制涂覆在基底上所述生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内；通过原子力显微镜对所述附有生物分子溶液的基底进行原位扫描；控制原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力，经过多次原位扫描使所述生物分子溶液铺展在基底表面形成生物薄膜。本发明实施例的生物薄膜的制备方法，能够制备超薄生物薄膜，并且保证生物薄膜的均匀性。本发明的技术方案适用于生物薄膜的制备中。

Description

一种结合旋涂法和AFM技术的超薄生物薄膜的制备方法

技术领域

本发明涉及生物薄膜制备领域，特别是指一种生物薄膜的制备方法。

背景技术

现有技术在制备生物薄膜时，通常采用旋涂法。旋涂法是在高速旋转的基底上喷射溶液，借助离心力将液体铺展在基底上，并通过调节旋转速度和时间来调节薄膜厚度和均匀度，旋转速度越高制备的膜越薄。

发明人在实现本发明的过程中，发现现有技术至少存在以下缺点：利用旋涂法制备生物薄膜时，在保证薄膜均匀性的前提下高速旋转基底会导致薄膜的不连续性，并且旋涂法制备的薄膜厚度一般在120-200nm，不能制备更小厚度的生物薄膜。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种生物薄膜的制备方法，能够制备超薄生物薄膜，并且保证生物薄膜的均匀性。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种生物薄膜的制备方法，包括：

利用旋涂法将生物分子溶液涂覆在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制所述生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内；

通过原子力显微镜对所述附有生物分子溶液的基底进行原位扫描；

控制原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力，经过多次循环扫描使所述生物分子溶液铺展在基底表面形成生物薄膜。

其中，所述控制原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力包括：

通过调整所述原子力显微镜的扫描参数，使原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力为原子力显微镜分子成像所需作用力的两倍。

其中，所述生物分子溶液为壳聚糖溶液，所述壳聚糖溶液的浓度为1mg/ml～10mg/mL。

其中，所述利用旋涂法将生物分子溶液涂覆在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制所述生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内包括：

利用旋涂法以500转/每分钟的转速、30～60秒的旋转时间将壳聚糖溶液涂覆在基底表面，使所述壳聚糖溶液在基底上的高度为2.5nm，覆盖率为80％。

其中，所述原子力显微镜的扫描速度为1HZ。

其中，在所述原子力显微镜针尖与所述壳聚糖溶液之间的作用力为5～10nN时，得到的壳聚糖薄膜的厚度为2.1～3.7nm。

其中，所述基底为亲水性基底。

其中，所述基底为云母。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，首先通过旋涂法将生物分子溶液分散在基底表面，然后对附有生物分子液滴的基底进行原子力显微镜原位扫描。于此同时，控制原子力显微镜针尖与生物分子液滴的相互作用力使液滴铺展在基底表面，并且通过调节作用力的大小和涂覆在基底的生物分子液滴的量来调控薄膜的厚度，经过多次扫描得到均匀的超薄生物薄膜，突破了旋涂法制备生物薄膜的厚度极限。

附图说明

图1为本发明实施例的生物薄膜的制备方法流程示意图；

图2为本发明实施例壳聚糖的结构式示意图；

图3为本发明实施例的壳聚糖薄膜的制备流程示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明的实施例针对现有技术中利用旋涂法制备生物薄膜时，制备的生物薄膜存在不连续性以及厚度极限的问题，提供一种生物薄膜的制备方法，能够制备超薄生物薄膜，并且保证生物薄膜的均匀性。

原子力显微镜(Atomic Force Microscope，AFM)是一种高分辨的扫描探针显微镜，它是根据扫描隧道显微镜的原理设计的高速拍摄三维图像的显微镜，通常包括探针、电子控制系统、计算器处理系统及光电检测系统四个子系统。在扫描过程中，AFM可以很精确地探测针尖和样品表面力的大小并调整参数来监测被测样品的形貌特征，亦可通过原位扫描的方法观察大分子在体外的活动变化。本发明利用原子力显微镜的针尖，通过控制原子力显微镜针尖与生物分子液滴的相互作用力使液滴铺展在基底表面，并且通过调节作用力的大小基底上液滴的量来调控薄膜的厚度，经过多次扫描得到均匀的超薄生物薄膜。

图1为本发明实施例的生物薄膜的制备方法流程示意图，如图1所示，本实施例包括：

步骤101：用旋涂法将生物分子溶液涂覆在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内；

步骤102：通过原子力显微镜对附有生物分子溶液的基底进行原位扫描；

步骤103：控制原子力显微镜针尖与生物分子溶液之间的作用力，经过多次循环扫描使生物分子溶液铺展在基底表面形成生物薄膜。

具体地，可以通过调整原子力显微镜的扫描参数，使原子力显微镜针尖与壳聚糖纳米颗粒之间的作用力为原子力显微镜分子成像所需作用力的两倍，增大原子力显微镜针尖与样品的作用力可以有以下几种方法：改变驱动力大小使悬臂振幅增大，减小针尖与样品之间的距离，使其小于正常成像时的针尖与样品的距离，或者通过减小压电陶瓷的灵敏度来增大针尖与样品的作用力。

本实施例的生物薄膜的制备方法，首先通过旋涂法将生物分子溶液分散在基底表面，然后对附有生物分子液滴的基底进行原子力显微镜原位扫描。于此同时，控制原子力显微镜针尖与生物分子液滴的相互作用力使液滴铺展在基底表面，并且通过调节作用力的大小来调控薄膜的厚度，经过多次扫描得到均匀的超薄生物薄膜，突破了旋涂法制备生物薄膜的厚度极限。

下面以制备超薄壳聚糖薄膜为例，具体说明本发明生物薄膜的制备方法的步骤：

一、环境要求

在制备超薄壳聚糖薄膜时，整个过程必须在室温下，湿度约60％的稳定环境下进行。壳聚糖颗粒的粘性受温度和湿度影响非常大，如果环境或者温度突然变化，壳聚糖颗粒的粘性将急剧变化，最终导致壳聚糖薄膜在扫描过程中凸起并破裂。除此之外，一般情况下壳聚糖薄膜在大气环境中都会覆盖有一层水膜，这样导致AFM扫描过程中针尖和壳聚糖溶液间有较小的毛细现象，不利于壳聚糖薄膜的形成，因此，保持潮湿环境有利于AFM针尖将壳聚糖分子铺展至基底上从而形成超薄薄膜。

二、基底的选择

基底分为亲水性和疏水性两种，亲水性基底比疏水基底有更高的浸润性，而薄膜的制备需要浸润性较好的基底。由于云母具有较高的亲水性，并且云母的正电性有助于带正电的壳聚糖纳米颗粒扩展更为充分，因此，在壳聚糖薄膜的制备过程中可以选择云母作为基底。

三、壳聚糖溶液

壳聚糖的溶解性受其链长的影响，为了使壳聚糖更好的溶解，可以通过酸裂解方法缩短碳水化合物的长度。另外为了使壳聚糖纳米颗粒不受温度和湿度波动的影响，可选用聚合的壳聚糖作为溶质。本实施例中，可以准备100微升的充分溶解的壳聚糖溶液，壳聚糖溶液的浓度为1mg/ml～10mg/mL，其结构式如图2所示。

四、壳聚糖纳米颗粒的制备

在室温下，利用旋涂法以500转/每分钟的转速、30～60秒的旋转时间将壳聚糖溶液涂覆在云母表面得到壳聚糖纳米颗粒，如图3步骤1～2所示。由于壳聚糖纳米液滴其较高的粘性和和稳定性，此时的薄膜是非连续的，一般采用旋涂法制备的纳米颗粒的高度不超过5nm，本实施例中得到的纳米颗粒的高度约为2.5nm，纳米颗粒的直径大小为93.3±36.8nm。虽然通过增加基底上壳聚糖液滴的量可以制得较连续的薄膜，但这不仅增加了薄膜的厚度也增加了AFM制备薄膜的难度，因此本发明的技术方案需要将壳聚糖液滴在基底上的高度和覆盖率控制在预设范围内，本实施例中最佳覆盖率为80％。

五、AFM扫描过程

如图3步骤2所示，用AFM对吸附有壳聚糖纳米颗粒的云母进行原位扫描，AFM扫描的次数越多，形成的薄膜越致密。具体地，本实施例中，AFM的扫描速度可以为1HZ，扫描的循环次数可以为20次，扫描为面扫描，每次循环扫描的扫描面积相等，扫描中心一致。在扫描过程中，通过改变AFM针尖与壳聚糖纳米颗粒之间作用力的大小可以精确控制制备薄膜的厚度。具体可以通过以下公式来调整AFM针尖与壳聚糖纳米颗粒之间作用力的大小：

AFM悬臂的振动公式为：

$m\stackrel{\·\·}{z}=-\mathrm{kz}-\frac{{\mathrm{m\ω}}_0}{Q}\stackrel{\·}{z}+F_{\mathrm{ts}}+F_0\cos \mathrm{\ωt}$

其中，Q、k和ω₀分别是质量因素、弹性系数，自由振动的角共振频率，F₀和ω分别是振幅和外力驱动的角频率，F_ts为针尖与样品作用力大小。

其中：z(z_c，t)＝z₀(z_c)+A(z_c)cos[ωt-Ф(z_c)]，

z₀，A和Ф分别是悬臂平均偏移量，振幅和振动相位偏移量，z_c为不受外力时针尖和样品的距离。

上述参数中，m，Q，k、ω₀、F₀、ω、z₀、A和Ф是已知参数，通过上述公式对AFM的各项参数进行设置，就可以实现调整针尖与样品之间的作用力F_ts。

具体地，在AFM针尖与壳聚糖纳米颗粒的作用力控制在5～10nN时可以将壳聚糖纳米颗粒转变为均匀薄膜。随着循环扫描次数的增多，纳米壳聚糖在基底的覆盖率逐渐增加，最终，在循环扫描20次之后，如图3步骤3所示，能够制备出厚度在2.9±0.8nm之间的均匀的超薄壳聚糖薄膜。

上述步骤说明了制备超薄壳聚糖薄膜的过程，上述方法同样适用于糖类分子溶液，包括黄原胶等。

本发明实施例中，首先制备出非连续薄膜，使基底上生物分子溶液的高度和覆盖率处于预设范围内，之后利用AFM技术，精确控制AFM针尖与样品相互作用力，经多次循环扫描从而得到厚度较小的生物薄膜；利用本发明制备的生物薄膜具有较小的厚度偏差，并且利用AFM进行原位扫描，还可以观测到生物分子溶液在基底表面由颗粒到薄膜转变过程，从而实时监控薄膜制备的整个过程。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种生物薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

利用旋涂法将生物分子溶液喷射在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制所述生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内；

通过原子力显微镜对所述附有生物分子溶液的基底进行原位扫描；

控制原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力，经过多次循环扫描使所述生物分子溶液铺展在基底表面形成生物薄膜。

2.根据权利要求1所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述控制原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力包括：

通过调整所述原子力显微镜的扫描参数，使原子力显微镜针尖与所述生物分子溶液之间的作用力为原子力显微镜分子成像所需作用力的两倍。

3.根据权利要求1所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述生物分子溶液为壳聚糖溶液，所述壳聚糖溶液的浓度为1mg/ml～10mg/ml。

4.根据权利要求3所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述利用旋涂法将生物分子溶液喷射在基底上，调整基底的旋转速度和喷射生物分子溶液的时间，以控制所述生物分子溶液的高度和覆盖率在预设范围内包括：

利用旋涂法以500转/每分钟的转速、30～60秒的旋转时间将壳聚糖溶液涂覆在基底表面，使所述壳聚糖溶液在基底上的高度为2.5nm，覆盖率为80％。

5.根据权利要求4所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述原子力显微镜的扫描速度为1HZ。

6.根据权利要求5所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，在所述原子力显微镜针尖与所述壳聚糖溶液之间的作用力为5～10nN时，得到的壳聚糖薄膜的厚度为2.1～3.7nm。

7.根据权利要求1所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述基底为亲水性基底。

8.根据权利要求7所述的生物薄膜的制备方法，其特征在于，所述基底为云母。