CN104568851A - Spr生物传感器用芯片及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种光学传感器领域的SPR生物传感器用芯片及其制备方法和应用，该芯片由下而上依次由玻璃基底、石墨烯或氧化石墨烯/高分子复合物薄膜以及蒸镀方式生成的金膜组成，其中：高分子复合物为聚丙烯酸或聚丙烯酸酯类。本发明通过在玻璃基底与金膜之间添加一层石墨烯/高分子复合物的薄膜材料，利用石墨烯比金膜更强的表面等离子共振效应来增强SPR传感器的检测灵敏度，该方法所得SPR传感器灵敏度高，制备方法简便，适用于生物、医药、化学、环境等领域的广泛应用。

Description

SPR生物传感器用芯片及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及的是一种光学传感器领域的技术，具体是一种SPR(Surface PlasmonResonance，表面等离子体共振)生物传感器用芯片及其制备方法和应用。

背景技术

生物传感器是生物分析技术的一个重要领域，是由生物、化学、医学、物理、电子技术等多学科相互渗透而综合成长起来的一门新兴技术，从诞生至今近四十年的发展中展现出了强大的生命力，为人类对生命本质现象及生命体与环境之间相互作用关系不断深入的认识提供了有力的帮助。其中，表面等离子体共振(SPR)光学传感器由于其灵敏度高、免标记、可实时检测等优点，在生命科学、药物开发、医学诊断、农业、食品、公共安全、环境污染等领域有广阔的应用前景，正成为生物传感器领域的研究热点。

表面等离子体波是一种电磁表面波。当金属表面存在的自由振动的电子与入射光的光子相互作用时，产生的沿着金属表面传播的电子疏密波称为表面等离子体波，表面等离子体波存在于两种界面附近。表面等离子体共振是一种由光入射金属表面引起的物理光电现象。光在两相界面处发生全内反射时的消逝波，可以引发金属表面的自由电子产生表面等离子体波。当消逝波和表面等离子体波发生共振时，全内反射将被破坏，使反射光强度出现最小值。

表面等离子体共振传感器包括一个镀有薄金属镀层的的玻璃棱镜，其中金属层成为棱镜和绝缘体之间的界面。利用P偏振光在一定的角度范围内照射棱镜，在棱镜与金属薄膜(一般是金或银)界面处将会发生全内反射。将一层薄膜(如生物膜)沉淀在金属层上，绝缘物质的折射率会发生改变。折射率依赖于绝缘物质和沉淀膜的厚度和密度的大小，折射率发生变化将会引起响应信号的变化，如图1所示。这就是SPR生物传感器对物质结合检测的基本原理。

SPR传感器在诸多领域得到了广泛应用，高灵敏度SPR系统的开发是满足各种需要的共性关键问题之一。石墨烯(Graphene)是一种由单层碳原子以sp2杂化紧密堆积成二维六方晶格结构的优质碳基材料，它在可见光、红外、太赫兹波段都有等离子共振现象。2012年9月，Y.Ting等第一次报道了基于化学气相沉积法制备的石墨烯基一维光子晶体在可见光波段的表面等离子体共振现象[Scientific Reports，2012，2(737)]，2013年3月他们制造出了利用石墨烯基一维光子晶体激发表面等离子共振波的特性构建的SPR传感器，其灵敏度是传统采用金膜的SPR传感器的14.8倍[Sensors and Actuators B，2013(182)，424‐428]。

经文献调研发现，中国专利文献号CN102621104A，公开日2012.08.01，公开了一种基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤传感器，该传感器包括D型光纤，在D型光纤的抛光面具有银膜层，在银膜层表面具有石墨烯薄膜层。该方法利用银膜表面沉积或生长石墨烯薄膜材料来增加该SPR传感结构的灵敏度，但是石墨烯薄膜对生物分子的固定稳定性及非特异性吸附控制都还不如金、银膜表面制备技术成熟。

中国专利文献号CN103588199A公开(公告)日2014.02.19，公开了一种原位金属催化分解、转移石墨烯薄膜材料的制备方法，其具体步骤是：将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)溶解在丙酮溶液中，再把PMMA溶液滴在金属衬底上，形成一层PMMA薄膜；将石英基底置于PMMA薄膜之上，放入纯度99.99％的氮气氛围的退火炉中高温退火，PMMA薄膜在金属的催化作用下分解生成石墨烯薄膜，石墨烯薄膜在高温下被蒸发转移至石英基底。但该技术每次转移只能生成一个覆盖有石墨烯的石英基底，不适合大批量生产，且需要金属催化与高温退火，成本较高。

CN103983613A公开(公告)日2014.08.13，公开了一种莱克多巴胺分子印迹SPR传感器芯片及其制备方法。该莱克多巴胺分子印迹SPR芯片，所述莱克多巴胺分子印迹SPR芯片以莱克多巴胺分子印迹聚合物、石墨烯纳米金、1‐辛基‐3‐甲基咪唑六氟磷酸盐为芯片基底修饰物。该技术通过石墨烯纳米金标记莱克多巴胺分子印迹聚合物增强SPR传感信号，但其制备过程复杂，只适用于莱克多巴胺一种分子的检测，使用范围没有普适性。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种SPR生物传感器用芯片及其制备方法和应用，同时利用石墨烯比金膜更强的表面等离子共振特性增敏SPR传感器以及金膜表面丰富成熟的生物分子固定方法及表面修饰和纳米颗粒增敏，实现对SPR传感器检测灵敏度的显著提高。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明涉及一种SPR生物传感器用芯片，由下而上依次由玻璃基底、石墨烯或氧化石墨烯/高分子复合物薄膜以及蒸镀方式生成的金膜组成，其中：

所述的石墨烯或氧化石墨烯/高分子复合物薄膜的厚度小于等于5微米，其中：石墨烯或氧化石墨烯片径尺寸小于等于1微米；

高分子复合物为聚丙烯酸或聚丙烯酸酯类，聚丙烯酸酯类优选聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、含氟聚丙烯酸酯类。

所述的石墨烯或氧化石墨烯与高分子复合物薄膜复合的方式采用以下任意一种并且石墨烯或氧化石墨烯的含量为复合物总质量的5％以下：

1)溶液共混；

2)熔融共混；

3)以石墨烯(氧化石墨烯)为基材，通过其上残余(即氧化石墨烯上残余的和/或石墨烯本身缺陷导致的)的羧基、羟基或环氧基等官能团共价连接原子转移自由基聚合所用引发剂含卤元素烷烃类试剂，在催化体系作用下，引发形成高分子的单体进行原子转移自由基聚合。

所述的含卤元素烷烃类试剂中的卤元素采用但不限于：氯、溴、碘。

所述的官能团采用但不限于：氨基、羧基、羟基、环氧基、N‐羟基琥珀酰亚胺等。

所述的催化剂采用但不限于：氯化铜、氯化亚铜、溴化铜、溴化亚铜、氯化铁、氯化亚铁、二联吡啶、抗坏血酸、水合肼等体系。

所述的单体采用但不限于：丙烯酸或丙烯酸酯类分子，丙烯酸酯类分子优选包括甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸叔丁酯、含氟丙烯酸酯类等；

所述的复合所用溶剂采用但不限于：N,N‐二甲基甲酰胺、丙酮、氯仿、水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯或其混合。

所述的金膜的厚度为20‐50nm；所述的蒸镀方式采用但不限于：磁控溅射镀膜或离子源辅助电子束蒸镀。

本发明涉及一种表面等离子体共振传感器，包括：依次设置的棱镜、上述芯片以及流通池，其中：棱镜与所述芯片通过Kretschmann结构实现耦合。

技术效果

与现有技术相比，本发明通过简单的方法将具有合适尺寸的石墨烯或氧化石墨烯与高分子复合在一起，配制成溶液旋涂于玻璃基底上，然后在复合物薄膜上面蒸镀一层金膜。可容易通过调节石墨烯的含量及石墨烯高分子复合物薄膜的厚度达到最佳增敏SPR传感器的效果，从而拓宽SPR传感器在生物、医药、化学等领域的检测和应用范围，是一种简单易行且有效的实用技术。

附图说明

图1为SPR生物传感器对物质结合检测的基本原理图；

图中：a为传感器示意图，b为随着发生SPR共振的入射光角度的变化，得到的反射光强度的SPR曲线，c为当芯片表面不断吸附物质后，随时间的变化，芯片表面发生SPR共振的入射光角度的变化的SPR曲线。

图2为图1中SPR芯片部分放大示意图；

图中：1金膜、2石墨烯/高分子复合物薄膜、3基底、4棱镜、5流通池。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

本实施例包括以下步骤：

1)制备石墨烯/高分子复合物：将10mg片径尺寸小于200nm的石墨烯溶入10mL N，N‐二甲基甲酰胺溶液超声分散30min，后将其与溶解有1g聚甲基丙烯酸乙酯(Mw＝100000)的20mL N，N‐二甲基甲酰胺混合均匀。

2)取一定量的制备石墨烯/高分子复合物滴加于用于制备SPR传感器芯片用玻璃基底上，通过匀胶机旋涂，转速6000r/min，时间10s。后将该玻片放入真空烘箱中100℃干燥6h，使溶剂完全挥发。

3)通过磁控溅射蒸镀仪蒸镀一层40nm厚的金膜即可获得该芯片。

上述操作中的石墨烯也可以采用氧化石墨烯替换。

实施例2

本实施例包括以下步骤：

1)制备氧化石墨烯/高分子复合物：

1.1)将50mg片径尺寸小于100nm的氧化石墨烯、76mg 1‐(3‐二甲氨基丙基)‐3‐乙基碳二亚胺盐酸盐、125mgN‐羟基琥珀酰亚胺、21mg2,3‐二溴丙酰胺在20mL水溶液中混合15分钟，使2,3‐二溴丙酰胺与氧化石墨烯共价连接。

1.2)取50mL水与甲醇1：1配置的混合液加入250mL的单口圆底烧瓶中，加入5g甲基丙烯酸甲酯单体、50mg CuCl₂、120mg 2,2‐联吡啶、70mg抗坏血酸，混合均匀。

1.3)将氧化石墨烯混合液加入该溶液体系，室温搅拌氮气保护下反应24小时，体系中有灰白色粘稠物出现后进行过滤，将白色粘稠物用去离子水清洗多次后，真空烘箱中60℃烘干。

2)取1g所得石墨烯/高分子复合物溶解入50mL乙酸乙酯，取一定量滴加于用于制备SPR传感器芯片用玻璃基底上，通过匀胶机旋涂，转速6000r/min，时间10s。后将该玻片放入真空烘箱中100℃干燥6h，使溶剂完全挥发。

3)通过离子源辅助电子束蒸镀仪蒸镀一层50nm厚的金膜即可获得该芯片。

Claims (8)

1.一种SPR生物传感器用芯片，其特征在于，由下而上依次由玻璃基底、石墨烯或氧化石墨烯/高分子复合物薄膜以及蒸镀方式生成的金膜组成，其中：高分子复合物为聚丙烯酸或聚丙烯酸酯类；

所述的石墨烯或氧化石墨烯与高分子复合物薄膜复合的方式采用以下任意一种并且石墨烯或氧化石墨烯的含量为复合物总质量的5％以下：

1)溶液共混；

2)熔融共混；

3)以石墨烯或氧化石墨烯为基材，通过其上残余的羧基、羟基或环氧基共价连接引发剂，在催化体系作用下，引发形成高分子的单体进行原子转移自由基聚合；

所述的引发剂为原子转移自由基聚合所用含卤元素烷烃类试剂。

2.根据权利要求1所述的芯片，其特征是，所述的石墨烯或氧化石墨烯/高分子复合物薄膜的厚度小于等于5微米，其中：石墨烯或氧化石墨烯片径尺寸小于等于1微米。

3.根据权利要求1所述的芯片，其特征是，所述的聚丙烯酸酯类为聚甲基丙烯酸甲酯、聚甲基丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸叔丁酯、含氟聚丙烯酸酯类。

4.根据权利要求1所述的芯片，其特征是，所述的含卤元素烷烃类试剂中的卤元素采用氯、溴、碘；

所述的官能团采用：氨基、羧基、羟基、环氧基、N‐羟基琥珀酰亚胺；

所述的催化剂采用：氯化铜、氯化亚铜、溴化铜、溴化亚铜、氯化铁、氯化亚铁、二联吡啶、抗坏血酸、水合肼；

所述的单体采用：丙烯酸或丙烯酸酯类分子；

所述的复合所用溶剂采用：N,N‐二甲基甲酰胺、丙酮、氯仿、水、甲醇、乙醇、乙酸乙酯或其混合。

5.根据权利要求4所述的芯片，其特征是，所述的丙烯酸酯类分子包括：甲基丙烯酸甲酯、甲基丙烯酸乙酯、甲基丙烯酸叔丁酯、含氟丙烯酸酯类。

6.根据权利要求1所述的芯片，其特征是，所述的金膜的厚度为20‐50nm；所述的蒸镀方式采用：磁控溅射镀膜或离子源辅助电子束蒸镀。

7.根据权利要求1所述的芯片，其特征是，所述的溶液共混是指：通过将石墨烯溶于溶剂后与聚丙烯酸或聚丙烯酸酯类高分子复合物混合后旋涂于基底表面并干燥，然后进一步通过磁控蒸镀金膜层即得。

8.一种表面等离子体共振传感器，其特征在于，包括：依次设置的玻璃棱镜、上述任一权利要求中所述的芯片以及流通池，其中：玻璃棱镜与所述芯片通过Kretschmann结构实现耦合。