CN104089996A - 一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,包括声表面波谐振器,真空封装于一金属外壳中,所述声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料,通过光刻工艺制备,发出的声表面频率为433MHZ,还包括丝网印刷碳电极,所述丝网印刷碳电极与声表面波谐振器相串联,丝网印刷碳电极先经过氨基酸修饰然后涂覆NCI-H716细胞悬液。本发明提供的味细胞传感器体积小巧、实用方便、电极响应快速、灵敏度高,具有批量重复性好,成本低廉等优点,可以达到很高的频率,能够实现实时快速检测;制备过程简单,材料消耗少,工艺的可重复性和可控性很高,便于批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种细胞传感器,尤其涉及一种灵敏度高、成本低、电极响应快的使用声表面波谐振器的味细胞传感器及其制备方法。
背景技术
细胞传感器已经成为生物传感领域的热点之一,经过多年的发展,细胞传感器已在许多领域得到广泛应用。目前,细胞传感器主要可以包括微电极阵列(MEA)细胞传感器、场效应晶体管(FET)细胞传感器、光寻址电位细胞传感器(LAPS)、膜片钳细胞传感器[12,13]、免疫细胞传感器等。但是上述技术所采用的电极一般都比较昂贵,而且大多都是一次性使用,检测成本较高。丝网印刷电极是一种常见的生物和化学相容性电极,具有成本低、易加工、使用一次即抛等优势,在碳电极上可以修饰细胞、各种抗原抗体或受体蛋白而制备出特异性检测一体化电极,至今已经血糖、血液重金属检测、味觉敏感等领域被广泛使用。但是电化学阻抗谱分析仪器往往具有体积较大、价格昂贵等特点,难以满足现场快速检测的需要。此外,现有细胞传感检测系统通常需要大型的电化学或者生化分析仪器设备,投资成本、使用维护成本都非常高昂。并且这些仪器设备通常体积都比较庞大,需要占用大量的实验室面积,这就导致了现有细胞传感技术系统很难满足便携式和低成本使用的需求。
声表面波(SAW)是英国物理学家瑞利在研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波,声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。至今许多许多科研工作者已经探索了该技术的实际应用。声表面波的快速发展为制作高灵敏度、高集成度、低成本的检测设备提供了必要的技术支撑。
中国专利公告号CN101634648B,公告日2012年6月27日,名称为超高压液相色谱-飞行时间质谱同时测定白酒中六中微量甜味剂的方法,该申请案公开了一种超高压液相色谱-飞行时间质谱同时测定白酒中六中微量甜味剂的方法。采用超高效液相色谱-飞行时间质谱联用技术,可同时检测安赛蜜、糖精钠、甜蜜素、三氯蔗糖、阿巴斯甜、纽甜六种甜味剂。其不足之处在于,该设备体积较大、检测成本较高。
发明内容
本发明的目的在于为了解决现有细胞传感检测系统体积较大、价格昂贵,难以满足现场快速检测的需要的缺陷,而提供一种灵敏度高、成本低、电极响应快的使用声表面波谐振器的味细胞传感器。
本发明的另一个目的在于提供一种灵敏度高、成本低、电极响应快的使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法。
为了实现上述目的,本发明采用以下技术方案:
一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,包括声表面波谐振器,真空封装于一金属外壳中,所述声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料,通过光刻工艺制备,发出的声表面频率为433MHZ,还包括丝网印刷碳电极,所述丝网印刷碳电极与声表面波谐振器相串联,丝网印刷碳电极先经过氨基酸修饰然后涂覆NCI-H716细胞悬液。在本技术方案中,丝网印刷碳电极经过氨基酸修饰,可以使得丝网印刷碳电极的工作区域适合NCI-H716细胞存活;将细胞传感器与声表面波谐振器串联使用具有更高的品质因数及频率稳定性,不易受环境影响,且可由IC工艺加工设计,具备体积小、重量轻,电极响应快速,成本低廉等优点。
作为优选,所述声表面波谐振器包括:压电基片,为ST切型石英;叉指换能器,刻蚀于所述压电基片,叉指换能器的周期节长度M=6.4μm,叉指宽度a=1.6μm,叉指间距b=1.4μm,指条对数N=120,声孔径W=640μm,叉指条的铝条厚度H=200nm。
作为优选,所述声表面波谐振器还包括:两个反射栅,分别刻蚀于所述叉指换能器的两侧,每侧的反射栅指条数目Nref=150,两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=7μm。
作为优选,氨基酸为多聚赖氨酸、丙氨酸、精氨酸、甘氨酸、亮氨酸、丝氨酸中的一种。
一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
a)前处理:将丝网印刷碳电极45-60℃下干燥10-14h,然后用丙酮或无水乙醇超声清洗,再用超纯水浸泡5-10min,紫外照射25-35min后自然晾干待用;将石墨烯超声分散于去离子水中,得到0.3-1g/L的悬浊液,将悬浊液均匀滴涂在上述丝网印刷碳电极的工作电极区域,50-80℃下干燥,然后将氨基酸溶液滴涂在涂覆了石墨烯的丝网印刷碳电极的工作电极区域,室温下过夜,第二天用超纯水清洗4-10次,干燥后待用;
b)NCI-H716细胞的培养:NCI-H716细胞培养液为10%的胎牛血清、青霉素和链霉素的DMEM,培养条件为37℃,体积百分比为5%的二氧化碳的培养箱,将NCI-H716细胞接种于NCI-H716细胞培养液中,培养2-3天;然后取用贴壁情况良好的NCI-H716细胞制成细胞悬液,将细胞悬液稀释至5×105-1×106个/L;
c)电极制备:取30-60μL的步骤b)得到的NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域,然后在37℃,5%二氧化碳环境中继续培养3-4h,取出用PBS溶液冲洗,干燥后得到味细胞传感器。在本技术方案中,石墨烯是目前世界上最薄却也是最坚硬的纳米材料,它几乎是完全透明的,只吸收2.3%的光,导热系数高达5300W/m·k,高于碳纳米管和金刚石。石墨烯是一种由碳原子构成的单层片状结构的新材料,具有强度高,比表面积大,高化学反应活性,高填充性的特点;常温下其电子迁移率超过15000cm/vs,又比纳米碳管或硅晶体高,而电阻率只约10-6Ω·cm,为目前世上电阻率最小的材料。在丝网印刷碳电极表面先滴涂石墨烯,可以提高其响应速度,然后再将NCI-H716细胞涂覆于丝网印刷碳电极的工作电极区域,可以有效快速的检测。
作为优选,声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。
作为优选,步骤b)中青霉素的终浓度为100U/mL,链霉素的终浓度为100μg/mL。
本发明的有益效果是:
1)本发明提供的味细胞传感器体积小巧、实用方便、电极响应快速、灵敏度高,具有批量重复性好,成本低廉等优点,可以达到很高的频率,能够实现实时快速检测;
2)将细胞传感器与声表面波谐振器串联使用具有更高的品质因数及频率稳定性,不易受环境影响,且可由IC工艺加工设计,具备体积小、重量轻,电极响应快速,成本低廉等优点;
3)本发明制备过程简单,材料消耗少,工艺的可重复性和可控性很高,便于批量生产。
附图说明
图1是本发明实施例1的丝网印刷碳电极;
图2是本发明实施例1的检测结果;
图3是对比例1的检测结果。
具体实施方式
以下结合具体实施例与附图,对本发明做进一步的解释:
本发明中,若非特指,所采用的原料均可从市场购得或是本领域常用的,下述实施例中的方法,如无特别说明,均为本领域的常规方法。
胎牛血清购自吉诺生物医药技术有限公;PBS购自吉诺生物医药技术有限公司;DMEM培养液购自吉诺生物医药技术有限公司。
声表面波谐振器包括:压电基片,为ST切型石英;叉指换能器,刻蚀于所述压电基片,叉指换能器的周期节长度M=6.4μm,叉指宽度a=1.6μm,叉指间距b=1.4μm,指条对数N=120,声孔径W=640μm,叉指条的铝条厚度H=200nm;两个反射栅,分别刻蚀于所述叉指换能器的两侧,每侧的反射栅指条数目Nref=150,两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=7μm;声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。
实施例1
一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
a)前处理:将丝网印刷碳电极45℃下干燥10h,然后用丙酮超声清洗,再用超纯水浸泡5min,紫外照射25min后自然晾干待用;将石墨烯超声分散于去离子水中,得到0.3g/L的悬浊液,将悬浊液均匀滴涂在上述丝网印刷碳电极的工作电极区域,50℃下干燥,然后将100μg/ml的多聚赖氨酸溶液滴涂在涂覆了石墨烯的丝网印刷碳电极的工作电极区域,室温下过夜,第二天用超纯水清洗4次,干燥后待用;
b)NCI-H716细胞的培养:NCI-H716细胞培养液为10%的胎牛血清、青霉素和链霉素的DMEM,培养条件为37℃,体积百分比为5%的二氧化碳的培养箱,将NCI-H716细胞接种于NCI-H716细胞培养液中,培养2天;然后取用贴壁情况良好的NCI-H716细胞制成细胞悬液,将细胞悬液稀释至5×105个/L;其中,青霉素的终浓度为100U/mL,链霉素的终浓度为100μg/mL;
c)电极制备:取30μL的步骤b)得到的NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域,然后在37℃,5%二氧化碳环境中继续培养3h,取出用PBS溶液冲洗,干燥后得到味细胞传感器。所述丝网印刷碳电极见图1。
实施例2
一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,所述制备方法包括以下步骤:
a)前处理:将丝网印刷碳电极50℃下干燥12h,然后用无水乙醇超声清洗,再用超纯水浸泡8min,紫外照射30min后自然晾干待用;将石墨烯超声分散于去离子水中,得到0.5g/L的悬浊液,将悬浊液均匀滴涂在上述丝网印刷碳电极的工作电极区域,65℃下干燥,然后将100μg/ml的丝氨酸溶液滴涂在涂覆了石墨烯的丝网印刷碳电极的工作电极区域,室温下过夜,第二天用超纯水清洗6次,干燥后待用;
b)NCI-H716细胞的培养:NCI-H716细胞培养液为10%的胎牛血清、青霉素和链霉素的DMEM,培养条件为37℃,体积百分比为5%的二氧化碳的培养箱,将NCI-H716细胞接种于NCI-H716细胞培养液中,培养2.5天;然后取用贴壁情况良好的NCI-H716细胞制成细胞悬液,将细胞悬液稀释至9×105个/L;其中,青霉素的终浓度为100U/mL,链霉素的终浓度为100μg/mL;
c)电极制备:取40μL的步骤b)得到的NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域,然后在37℃,5%二氧化碳环境中继续培养3.5h,取出用PBS溶液冲洗,干燥后得到味细胞传感器。
实施例3
一种如权利要求1所述的使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
a)前处理:将丝网印刷碳电极60℃下干燥14h,然后用丙酮超声清洗,再用超纯水浸泡10min,紫外照射35min后自然晾干待用;将石墨烯超声分散于去离子水中,得到1g/L的悬浊液,将悬浊液均匀滴涂在上述丝网印刷碳电极的工作电极区域,50-80℃下干燥,然后将100μg/ml的精氨酸溶液滴涂在涂覆了石墨烯的丝网印刷碳电极的工作电极区域,室温下过夜,第二天用超纯水清洗10次,干燥后待用;
b)NCI-H716细胞的培养:NCI-H716细胞培养液为10%的胎牛血清、青霉素和链霉素的DMEM,培养条件为37℃,体积百分比为5%的二氧化碳的培养箱,将NCI-H716细胞接种于NCI-H716细胞培养液中,培养3天;然后取用贴壁情况良好的NCI-H716细胞制成细胞悬液,将细胞悬液稀释至1×106个/L;其中,青霉素的终浓度为100U/mL,链霉素的终浓度为100μg/mL;
c)电极制备:取60μL的步骤b)得到的NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域,然后在37℃,5%二氧化碳环境中继续培养4h,取出用PBS溶液冲洗,干燥后得到味细胞传感器。
对比例1,制备方法与实施例1相同,唯一不同的是没有将NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域。
实验系统包括丝网印刷碳电极、声表面波谐振器负载电路、稳压直流电源(DF1741SB3A,宁波中策电子股份有限公司)、通用电子计数器(EE3386,江苏新电联科技股份有限公司)。
将实施例1-3制备的味细胞传感器与对比例1制备的丝网印刷碳电极插入灌流室,检测溶液为蔗糖溶液与PBS溶液。检测结果见图2与图3。
由图2可以观察出对比例1的丝网印刷碳电极对于蔗糖溶液和PBS溶液的响应较为接近,检测频率在312.25 MHz附近上下波动,说明对比例1制备的丝网印刷碳电极无法区别这两种溶液,并且传感器响应的稳定性较好。图3所示为培养了NCI-H716细胞的丝网印刷碳电极(也就是实施例1-3制备的为细胞传感器)对蔗糖溶液和PBS溶液的响应,负载味细胞的电极对PBS溶液并没有特异的响应,其检出频率大致在1304MHz附近波动,而负载味细胞的电极对蔗糖溶液有明显的响应,随着灌流时间的增加,传感器检出频率持续上升,到1307.5MHz左右达到极大值后,虽有一定波动的情况出现,但是其响应与对PBS溶液响应有显著区分,表明培养NCI-H716细胞的丝网印刷碳电极对蔗糖有着特异的敏感。
本发明提供的味细胞传感器体积小巧、实用方便、电极响应快速、灵敏度高,具有批量重复性好,成本低廉等优点,可以达到很高的频率,能够实现实时快速检测;将细胞传感器与声表面波谐振器串联使用具有更高的品质因数及频率稳定性,不易受环境影响,且可由IC工艺加工设计,具备体积小、重量轻,电极响应快速,成本低廉等优点;制备过程简单,材料消耗少,工艺的可重复性和可控性很高,便于批量生产。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳方案,并非对本发明作任何形式上的限制,在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。
Claims (7)
1.一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,包括声表面波谐振器,真空封装于一金属外壳中,所述声表面波谐振器采用ST切型石英作为压电基底材料,通过光刻工艺制备,发出的声表面频率为433MHZ,其特征在于,还包括丝网印刷碳电极,所述丝网印刷碳电极与声表面波谐振器相串联,丝网印刷碳电极先经过氨基酸修饰然后涂覆NCI-H716细胞悬液。
2.根据权利要求1所述的一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,其特征在于,所述声表面波谐振器包括:压电基片,为ST切型石英;叉指换能器,刻蚀于所述压电基片,叉指换能器的周期节长度M=6.4μm,叉指宽度a=1.6μm,叉指间距b=1.4μm,指条对数N=120,声孔径W=640μm,叉指条的铝条厚度H=200nm。
3.根据权利要求2所述的一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,其特征在于,所述声表面波谐振器还包括:两个反射栅,分别刻蚀于所述叉指换能器的两侧,每侧的反射栅指条数目Nref=150,两侧的反射栅与叉指换能器之间的距离s=7μm。
4.根据权利要求1所述的一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器,其特征在于,氨基酸为多聚赖氨酸、丙氨酸、精氨酸、甘氨酸、亮氨酸、丝氨酸中的一种。
5.一种如权利要求1所述的使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,其特征在于,所述制备方法包括以下步骤:
a)前处理:将丝网印刷碳电极45-60℃下干燥10-14h,然后用丙酮或无水乙醇超声清洗,再用超纯水浸泡5-10min,紫外照射25-35min后自然晾干待用;将石墨烯超声分散于去离子水中,得到0.3-1g/L的悬浊液,将悬浊液均匀滴涂在上述丝网印刷碳电极的工作电极区域,50-80℃下干燥,然后将氨基酸溶液滴涂在涂覆了石墨烯的丝网印刷碳电极的工作电极区域,室温下过夜,第二天用超纯水清洗4-10次,干燥后待用;
b)NCI-H716细胞的培养:NCI-H716细胞培养液为10%的胎牛血清、青霉素和链霉素的DMEM,培养条件为37℃,体积百分比为5%的二氧化碳的培养箱,将NCI-H716细胞接种于NCI-H716细胞培养液中,培养2-3天;然后取用贴壁情况良好的NCI-H716细胞制成细胞悬液,将细胞悬液稀释至5×105-1×106个/L;
c)电极制备:取30-60μL的步骤b)得到的NCI-H716细胞悬液滴到步骤a)得到丝网印刷碳电极的工作电极区域,然后在37℃,5%二氧化碳环境中继续培养3-4h,取出用PBS溶液冲洗,干燥后得到味细胞传感器。
6.根据权利要求5所述的一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,其特征在于,声表面波谐振器是单端口声表面波谐振器。
7.根据权利要求5或6所述的一种使用声表面波谐振器的味细胞传感器的制备方法,其特征在于,步骤b)中青霉素的终浓度为100U/mL,链霉素的终浓度为100μg/mL。
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