CN104458660B - 基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法，主要的实验仪器为1310nm激光器和光功率检测计（多孔硅对1310nm光波透明）；激光器以一定的角度入射到以多孔硅光子晶体微腔传感器上，用光探测器接收透射光功率，固定激光器和光探测器，旋转多孔硅基底，找到微腔结构对应的最大透射光强功率的角度，然后添加生物改变多孔硅层折射率，再检测透射光的最大光强功率对应的角度，通过前后角度的改变，来检测添加生物浓度。

Description

基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检 测方法

技术领域

本发明涉及一种生物分子的检测方法，具体而言涉及一种基于透射光强的多孔硅微腔生物传感器检测生物分子的方法。

背景技术

多孔硅生物传感器的制备已经有许多报道。例如，CN101402459A公开了一种多孔硅酸锌的制备方法，材料为硅酸锌呈多孔状，其孔的孔径为0.8～1.2μm、孔隙率为65～80％、比表面积为200～600m²/g；方法的步骤为(a)使用阳极氧化法对硅基底进行电化学腐蚀，获得通孔孔径为1～2μm的多孔硅基底，其中，阳极氧化的电解液为0.5～1.5∶0.5～1.5的氢氟酸∶乙醇、电流密度为1～3mA/cm²、时间为160～200min，阳极氧化结束时，将阳极氧化电流瞬时增大到300～500mA/cm²，并保持0.5～1.5min，(b)将多孔硅基底和锌粉置于流动的氩气和氧气的混合气氛中，其中，多孔硅基底位于锌粉的下游，在1000～1200℃下反应2.5～3.5h，制得多孔硅酸锌。可广泛地用于生物工程、催化载体、环境工程、气敏传感器和光电纳米器件等领域，且方法易于工业化的大规模实施。

CN102953113A和CN103073017A分别公开了有序多孔硅和有序介孔硅纳米材料的制备方法。

基于各种方法制备得到的多孔硅材料，目前来看，已经开发出来多种用于检测生物分子的方法。例如：

CN1922486A公开了拉曼光谱法检测生物分子的方法。包括：a)在合适的结合条件下，使所述生物样品与纳米多孔半导体传感器接触，所述纳米多孔半导体传感器包括纳米多孔半导体结构和连接到所述多孔半导体结构上的一个或多个第一探针，所述纳米多孔半导体结构包括置于上层和下层之间的中心层，所述上层和下层都包括5至20层交替多孔性层；所述一个或多个第一探针特异性结合所述样品中的至少一个分析物，形成一个或多个结合复合物；b)在适合促进它们的特异性结合的条件下，使所述一个或多个结合复合物与拉曼活性探针接触；c)照射所述传感器，以便从所述传感器引发荧光发射，所述发射产生来自所述结合复合物的拉曼光谱；和d)检测由所述结合复合物产生的拉曼信号；其中，与所述结合分析物有关的拉曼信号表明所述样品中所述分析物的存在以及类型。

CN102175742A公开了一种阻抗检测生物分子的方法。通过电化学脉冲腐蚀法制得多孔硅基片，将适配子固定其上。适配子能够特异性识别四环素分子，并引起阻抗值的变化。利用电化学交流阻抗法比较了固定适配子前后硅片表面阻抗值的变化，以及在体系中加入不同浓度四环素后阻抗谱的变化。选择一个合适的等效电路对测得的阻抗数据进行拟合。获得了四环素浓度与阻抗值的变化规律。传感器的线性检测范围为2.079-62.37nM，检测限为2.079nM。

CN103353521A公开了一种血糖仪测定生物标志物的方法。采用包埋葡萄糖分子的载体脂质体、金属空心球、多孔碳球、多孔硅球或聚合物球作为复合标记物，通过夹心免疫反应或者DNA反应引入到传感器表面，将生物标志物或者DNA检测转化为检测最终产物葡萄糖，根据夹心免疫分析原理，待测生物标志物及DNA的含量与被包埋的葡萄糖含量成正比，通过血糖仪检测葡萄糖的浓度即得到生物标志物及DNA的含量。将血糖仪发展成为了一种便携式、万能型的生物标志物及DNA测定仪，构建了基于血糖仪检测技术的生物标志物及DNA分析新方法，可用于各种生物标志物、DNA的实时、在线、简便、灵敏的测定。所用仪器设备简单，分析成本低。

CN103979543A公开了反射法测定生物分子的方法。⑴通过电化学刻蚀方法制备多孔硅，刻蚀液为氢氟酸：无水乙醇体积比为3:1；优选地电流密度为600mA/cm2,蚀刻时间为20秒；⑵将步骤⑴得到的多孔硅进行烷氧基硅烷修饰；⑶将步骤⑵得到的烷氧基硅烷修饰的多孔硅与4-（二乙氨基）水杨醛反应，得到带有芳叔胺基团的多孔硅；⑷将步骤⑶得到的带有芳叔胺基团的多孔硅浸泡在离子交换水中，去除残存的有机物。经修饰的多孔硅作为生物传感器用于光学非标记生物检测。检测灵敏度达到8400±100nm/折射率单位以上，能够进行实时在线非标记光学检测生物分子。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于折射率变化的生物分子检测方法。采用的传感器件是多孔硅光子晶体微腔，这种多孔硅器件的优点众多。采用的信号采集方法是通过测量器件最强透射光的角度变化实现对生物分子进行高灵敏度的检测，比采用反射法更加方便，示意图见附图1所示。

本方法具有以下优点：

实验装置成本非常低廉，可做成便携式设备(仅包含半导体激光器、光探测器、角度测量仪器和一些光学元件)，且检测时间快，可用于基于多孔硅微腔结构构成的生物阵列检测，测量灵敏度高，用普通的角度测量仪器就能检测10^-4的折射率变化。若采用更高分辨率的角度测量仪器，则还能获得更高的折射率测量灵敏度。本方法还可用于光学生物传感器阵列或生物芯片的检测。

激光波长的选择：

检测装置中采用约1310 nm的激光。原因在于：a. 由于多孔硅对波长在1100纳米以下的入射光波存在一定的吸收，使得现有检测技术要通过测量反射光来实现，因此这给其它非光谱检测技术造成不便，而硅材料对约1310 nm光波几乎没有吸收；b.透射法采用大约 1310 nm波长的光，不容易被多孔硅纳米结构和生物细胞散射，对样品的穿透深度更深；c.可以降低多孔硅光子晶体因界面粗糙引起的随机误差；d. 1310 nm可以和现有光纤技术兼容，日后可以为传感信号的光纤传输奠定基础；e.对活体细胞和组织的光损伤更小。

入射角度的选择：

采用小角度入射，一方面方便旋转传感器，一方面灵敏度会提高，如下附图2所示：给出的是当折射率增加Δn =0.0001时，检测激光入射角θ和Δθ关系图。从图2中可以看出，当入射角θ逐渐增大时，Δθ逐渐变小。因此，尽可能在角度不大的情况下检测。普通的角度测量仪器的分辨率为1’=0.0167^o。通过计算，对应可检测到的最小折射率的变化可达到10^-4。若使用高精度的转角仪，则可检测到更小的折射率变化。测量原理图见图3和图4，其中采用单一波长1310 nm的可见激光（如He-Ne激光器，半导体激光器）入射PSM，PSM的λC 预先设计为等于1310 nm。激光垂直入射PSM，将全部透过PSM而出现最强透射光强。当PSM器件中因发生生物反应而导致折射率变化Δn（如0.01）时，激光垂直入射PSM，最强透射峰偏离1310nm，此时改变激光入射角度到某一角度（如5°）时，透射光再次出现最强值。通过测量变化的入射激光角度Δθ，可得到折射率变化Δn。

目前，本领域中常用的光谱分析技术中，所采用的光学实验设备分辨率一般为0.1nm。而通过理论计算，采用光子晶体微腔反射谱法，无法检测出10^-4的折射率变化。市场上非常好的光学光谱检测设备的分辨率为0.01nm（价格非常昂贵），检测折射率变化Δn才能达到10^-4。采用本发明方法，实验装置成本非常低廉，可做成便携式设备(仅包含LD、光探测器、角度测量仪器和一些光学元件)，且检测时间快，可用于基于多孔硅微腔结构构成的生物阵列检测，测量灵敏度高，用普通的角度测量仪器就能检测10^-4的折射率变化。

因此，本发明提供一种基于透射式多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测方法，通过测量最强透射光的角度变化就可对生物分子进行高灵敏度的检测。这种检测方法成本低廉，体积小；测量灵敏度高，检测灵敏度达到12000±100nm/折射率单位以上；可方便的用于多孔硅生物传感器阵列或生物芯片的检测。

本发明的具体技术方案如下。

一种基于透射式的生物分子检测方法，其特征在于：主要的实验仪器为1310nm激光器和光功率检测计；激光器以一定的角度入射到以多孔硅微腔为基底的传感器上（传感器已被功能化和加入了生物探针），用光功率检测计接收透射光，固定激光器和光功率检测计，旋转多孔硅基底，找到微腔结构对应的最大透射光强功率的角度，然后添加目标生物分子，发生生物反应导致器件的多孔硅层折射率改变，再检测透射光的最大光强功率对应的角度，通过前后角度的改变，来检测添加生物浓度。

优选地，多孔硅光子晶体微腔需要功能化处理，功能化主要包括三个过程：氧化，硅烷化、戊二醛处理。更加优选地，使用间苯二甲醛或对苯二甲醛或邻苯二甲醛替代戊二醛使用，可以进一步提高检测灵敏度，最优选间苯二甲醛或对苯二甲醛。优选地，使用环氧基硅烷偶联剂或乙烯基硅烷偶联剂进行硅烷化处理，也可以提高检测灵敏度，例如KH560，XD-172，XD-171，A-151等。

优选地，固定激光器和光功率检测计，多孔硅置于可旋转并测量角度的支架上。

优选地，制备多孔硅微腔的硅片是电阻率为0.03-0.04Ωcm，厚度为420±10μm，<100>晶向的P型掺硼单晶硅；电解腐蚀槽为聚四氟乙烯单槽结构，硅片为阳极，铜片为阴极；使用体积比1:1的氢氟酸(HF,分析纯，浓度为40%)和酒精（C₂H₅OH,分析纯，浓度≥99%）的混合液作为电解液。

优选地，制备多孔硅微腔的硅片采用电化学方法腐蚀，通过使用计算机Labview程序，交替改变电流密度和腐蚀时间，在室温条件下对单晶硅片进行腐蚀；首先对高折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为50-80mA/cm²，腐蚀时间为3-4s；然后对低折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为100-120mA/cm²，腐蚀时间为3-4s；对微腔层进行腐蚀，电流密度为100-120mA/cm²，腐蚀时间为9-10s；为保证每一层相对均匀，及时补充氟离子的浓度，在每一层形成后，电流停顿3-4s。本发明通过大量实验发现，对高折射率多孔硅层、低折射率多孔硅层、微腔层进行腐蚀的电流密度比为1:2:2时效果最佳，可以获得最佳的灵敏度。

优选地，所述的多孔硅作为生物传感器用于光学非标记生物检测，其中待测样品优选是血清、组织液、毒品或兴奋剂。

优选地，激光器以一定的角度入射到以多孔硅微腔为基底的材料上之前，先通过偏光镜，保持光波的横电模(TE,Transverse Electric)模。

附图说明

图1为一维多孔硅光子晶体微腔传感器检测系统结构示意图；

图2为入射角θ和Δθ关系图；

图3为测量原理图，器件折射率不变，入射光角度从0^o变化到5^o前后光谱图；

图4为测量原理图，入射光角度固定0^o，器件折射率增加0.01前后光谱；

图5为折射率变化与入射角度变化的关系曲线图；

附图标记说明：图1中，110为半导体激光器,120为偏振器，130为多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器，140为光探测器；图3中，曲线3A表示入射光角度为0^o的光谱曲线，曲线3B表示入射光角度为5^o的光谱图；图4中，曲线4A表示器件折射率增加0.01前的光谱曲线，曲线4B表示器件折射率增加0.01后的光谱曲线；图5中，曲线5A表示△n=0的折射率变化与入射角度变化的关系曲线，曲线5B表示△n=0.01的折射率变化与入射角度变化的关系曲线，曲线5C表示△n=0.02的折射率变化与入射角度变化的关系曲线。

具体实施方式

实施例1：

⑴通过电化学刻蚀方法制备多孔硅：采用 P 型<100>晶向的掺硼单晶硅片，其电阻率为 0.03 Ωcm，厚度为 420μm。电解腐蚀槽为聚四氟乙烯单槽结构，硅片为阳极，铜片为阴极。对经过清洗后的单晶硅片进行电化学腐蚀。电解液是由 40%的氢氟酸和 99%的乙醇按照体积比HF:CH₃CH₂OH=1:1比例混合而成。通过使用计算机Labview程序，交替改变电流密度和腐蚀时间，在室温条件下对单晶硅片进行腐蚀。首先对高折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为60mA/cm²，腐蚀时间为3.6s；然后对低折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为110mA/cm²，腐蚀时间为3.0s；对微腔层进行腐蚀，电流密度为110mA/cm²，腐蚀时间为9.0s。为保证每一层相对均匀，及时补充氟离子的浓度，在每一层形成后，电流停顿3s。采用湿法氧化的方法，用DMSO溶液将样品在氧化溶液中浸泡一段时间，清洗后用高压氮气吹干备用。

⑵将步骤⑴得到的多孔硅进行烷氧基硅烷修饰：多孔硅以质量比为1:20分散于甲苯中，超声处理1h，滴加γ-氨丙基三甲氧基硅烷， 100^oC反应2h；反应结束后过滤除去溶剂，用无水乙醇洗涤数次，真空干燥，即得烷氧基硅烷修饰的多孔硅；γ-氨丙基三甲氧基硅烷与多孔硅的质量比为1:0.1；

⑶将步骤⑵得到的烷氧基硅烷修饰的多孔硅与戊二醛反应，将步骤⑵得到的烷氧基硅烷修饰的多孔硅分散到无水乙醇中，超声处理10min,加入戊二醛，搅拌回流6h后倾出上层悬浮液，过滤除去溶剂后用无水乙醇洗涤数次，真空干燥；烷氧基硅烷修饰的多孔硅与戊二醛的质量比为1:5；

⑷将步骤⑶得到的多孔硅浸泡在离子交换水中，去除残存的有机物。

利用乙醛与胺类物质反应生成西夫碱溶液，并取1uL浓度为5M的氰基硼氢化钠溶液滴入其中以形成稳定的培养液，之后将多孔硅浸入此培养液中培养2小时。将培养过的多孔硅片用缓冲液进行冲洗，然后用缓冲液浸泡1小时，最后用氮气吹干。

应用在DNA序列检测中具体步骤如下：

A激光器以一定角度入射到多孔硅基底上，用功率接受计接受透射光，固定激光器和光功率检测计，旋转多孔硅基底，找到微腔结构对应的最大透射光强功率的角度

B滴加DNA样品溶液至多孔硅上

C重复步骤A，检测透射光的最大光强功率对应的角度

D通过前后角度的改变，检测DNA样品溶液的浓度

E分析结果

检测灵敏度：经检测，实施例1所制备得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12200±100nm/折射率单位。

实施例2：

其它与实施例1相同，区别在于步骤(1)中对高折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为50mA/cm²；然后对低折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为100mA/cm²；对微腔层进行腐蚀，电流密度为100mA/cm²。

经检测，实施例2所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为13000±100nm/折射率单位。

实施例3：

其它与实施例1相同，区别在于步骤(1)中对高折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为50mA/cm²；然后对低折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为100mA/cm²；对微腔层进行腐蚀，电流密度为110mA/cm²。

经检测，实施例3所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12400±100nm/折射率单位。

实施例4：

其它与实施例1相同，区别在于使用对苯二甲醛。

经检测，实施例4所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为13100±100nm/折射率单位。

实施例5：

其它与实施例1相同，区别在于使用间苯二甲醛。

经检测，实施例5所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为13200±100nm/折射率单位。

实施例6：

其它与实施例1相同，区别在于使用邻苯二甲醛。

经检测，实施例6所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12800±100nm/折射率单位。

实施例7：

其它与实施例1相同，区别在于使用KH570进行硅烷化处理。

经检测，实施例7所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12100±100nm/折射率单位。

实施例8：

其它与实施例1相同，区别在于使用KH560进行硅烷化处理。

经检测，实施例8所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为13000±100nm/折射率单位。

实施例9：

其它与实施例1相同，区别在于使用A-151进行硅烷化处理。

经检测，实施例9所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12700±100nm/折射率单位。

实施例10：

其它与实施例1相同，区别在于使用XD-171进行硅烷化处理。

经检测，实施例10所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12600±100nm/折射率单位。

实施例11：

其它与实施例1相同，区别在于使用XD-172进行硅烷化处理。

经检测，实施例11所得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为12800±100nm/折射率单位。

Claims (1)

1.一种基于透射式多孔硅光子晶体微腔角度检测装置的生物分子检测方法，步骤如下：

制备多孔硅基底：⑴通过电化学刻蚀方法制备多孔硅：采用 P 型<100>晶向的掺硼单晶硅片，其电阻率为 0.03 Ωcm，厚度为 420μm；电解腐蚀槽为聚四氟乙烯单槽结构，硅片为阳极，铜片为阴极；对经过清洗后的单晶硅片进行电化学腐蚀；电解液是由 40%的氢氟酸和 99%的乙醇按照体积比HF:CH₃CH₂OH=1:1比例混合而成；通过使用计算机Labview程序，交替改变电流密度和腐蚀时间，在室温条件下对单晶硅片进行腐蚀；首先对高折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为60mA/cm²，腐蚀时间为3.6s；然后对低折射率多孔硅层进行腐蚀，电流密度为110mA/cm²，腐蚀时间为3.0s；对微腔层进行腐蚀，电流密度为110mA/cm²，腐蚀时间为9.0s；为保证每一层相对均匀，及时补充氟离子的浓度，在每一层形成后，电流停顿3s；采用湿法氧化的方法，用DMSO溶液将样品在氧化溶液中浸泡一段时间，清洗后用高压氮气吹干备用；

⑵将步骤⑴得到的多孔硅进行烷氧基硅烷修饰：多孔硅以质量比为1:20分散于甲苯中，超声处理1h，滴加γ-氨丙基三甲氧基硅烷， 100^oC反应2h；反应结束后过滤除去溶剂，用无水乙醇洗涤数次，真空干燥，即得烷氧基硅烷修饰的多孔硅；γ-氨丙基三甲氧基硅烷与多孔硅的质量比为1:0.1；

⑶将步骤⑵得到的烷氧基硅烷修饰的多孔硅与间苯二甲醛反应，将步骤⑵得到的烷氧基硅烷修饰的多孔硅分散到无水乙醇中，超声处理10min，加入间苯二甲醛，搅拌回流6h后倾出上层悬浮液，过滤除去溶剂后用无水乙醇洗涤数次，真空干燥；烷氧基硅烷修饰的多孔硅与间苯二甲醛的质量比为1:5；

⑷将步骤⑶得到的多孔硅浸泡在离子交换水中，去除残存的有机物；

利用乙醛与胺类物质反应生成西夫碱溶液，并取1uL浓度为5M的氰基硼氢化钠溶液滴入其中以形成稳定的培养液，之后将多孔硅浸入此培养液中培养2小时；将培养过的多孔硅片用缓冲液进行冲洗，然后用缓冲液浸泡1小时，最后用氮气吹干；

应用在DNA序列检测中具体步骤如下：

A激光器以一定角度入射到多孔硅基底上，用功率接收计接收透射光，固定激光器和光功率检测计，旋转多孔硅基底，找到微腔结构对应的最大透射光强功率的角度；

B滴加DNA样品溶液至多孔硅上；

C重复步骤A，检测透射光的最大光强功率对应的角度；

D通过前后角度的改变，检测DNA样品溶液的浓度；

E分析结果；

检测灵敏度：经检测，所制备得到的多孔硅光子晶体微腔结构生物传感器的检测灵敏度为13200±100nm/折射率单位。