CN105018565B - 一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法 - Google Patents
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Abstract
一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，先制造硅基微米级孔阵列模具，再制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维，表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角，最后通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获，本发明通过微纳制造技术制造的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维微纳米感知触角，大长径比的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维微纳米感知触角极大的增加了比表面积，提高了微纳米感知触角触碰分子级靶标的概率，实现了对分子级靶标进行主动式捕获，极大提高了分子级靶标捕获/感知的灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造靶标捕获技术领域，具体涉及一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法。
背景技术
现代科学技术的发展，使得人类在实现基本物质需求的基础上，日趋关注生存环境、生命健康与生态恢复及保持，如，环境污染、食品安全、临床疾病快速诊断、雾霾成因及对人体侵入等。以空气、水质等载体中微量(ppm量级或更低浓度)、细小(微米/纳米量级)粒子(病原、抗原分子、重金属离子、食品添加剂等)为靶标的超高灵敏度捕获/感知，如，饮用水中隐孢子虫的检测(10个卵囊即可致病，饮用水质要求其浓度小于1个/10L)等，已经被美国国家食品安全局(FSIS)、美国环境保护局(EPA)、欧洲食品安全局(EFSA)等机构视为等同于反恐及威胁人类安全的关键问题之一，亦是当今学界和产业界所追逐的前沿热点。
在生物、病例检测及临床诊断中，靶标通常为分子量级，如，微量DNA检测、前列腺特异抗原PSA检测、高精度炭疽孢子抗原的检测等，从极少量靶标载体样本中(如，血液、病人呼出的气、脑脊液等)快速提取目标病理成分，实现特异性抗原的检测、识别、及定量评定，被视为下一代生物分子学、片级病理分析、测试及诊断方法的基础。对分子级靶标的超高灵敏度感知及捕获，是当前国际上学术和产业界共同关注和聚焦的热点问题。
靶标捕获/感知传感器，其灵敏度依赖于靶标分子与功能材料的接触及碰撞几率。纵观传感器的研究发展，历经了薄膜传感器、表面织构化薄膜传感器、功能材料纳米结构化传感器等三个阶段，体现了对功能材料结构优化及提高微观有效比表面积以实现更高灵敏度的不懈追求。以具有更大比表面积的纳米结构(如，纳米管、纳米柱等)替代纳米织构化薄膜结构，能够大幅度提高功能材料有效比表面积，将传感器的灵敏度提升至ppm量级(10e-6量级)，是近年来学术界对靶标捕获/感知传感器的研究重点及热点。功能材料的纳观结构形貌可分为纳米纤维织构化结构与直立纳米柱结构。相对于纳米纤维织构化结构而言，直立纳米柱结构具有三维空间结构特征，具有更大比表面积，因而更易捕获/感知靶标分子。针对传感器功能材料，构建大长径比直立纳米柱阵列结构，是大幅度提高传感器感知灵敏度的有效途径。
现阶段，相关此类传感器结构的研究报道中，功能材料物理结构在靶标探测过程中始终处于静止状态，静态被动等待与靶标分子的碰撞，以完成靶标的捕获与感知。其与靶标分子碰撞几率取决于功能材料物理结构的有效空间及待检靶标分子的运动方式(如布朗运动、动态剪切流等)。要进一步将传感器感知灵敏度提升至ppb量级(10e-9量级)，实现分子级靶标捕获，必须不断提高功能材料纳米柱长径比，必然面临功能结构的材料和成型等制造技术难题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，实现了对分子级靶标进行主动式捕获，极大提高了分子级靶标捕获/感知的灵敏度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，包括以下步骤：
1)制造硅基微米级孔阵列模具：首先准备清洗干净的硅基，然后通过光刻及干法刻蚀工艺制造硅基微米级孔阵列模具；
2)制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维：在PDMS中掺杂100～500纳米的功能纳米粒子，通过乳化机搅拌均匀，浇注到硅基微米级孔阵列模具中，在抽真空环境中，使PDMS/功能纳米粒子复合材料能够完全填充到硅基微米级孔阵列模具中，通过加热固化脱模得到PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维；
3)表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角：先在PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维表面制备一层过渡层材料，然后通过表面修饰，使PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维过渡层材料表面获取利于与靶标分子粘附结合的特异性修饰活性分子；
4)通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获：在外场控制装置的作用下，通过控制外场控制装置的强度、方向，实现微纳米感知触角姿态的动态控制，使其能够对环境中分子级靶标进行主动式搜寻/捕获。
所述的步骤1)中硅基微米级孔阵列模具孔直径为2-15μm、深度为20-150μm、中心距为20-140μm。
所述的步骤2)中功能纳米粒子为铁磁性粒子、介电质粒子或光致变形粒子，粒径为100-500nm，铁磁性粒子包括Fe、Ni、Co；介电质粒子包括BaTiO3、LiTiO3、La2Zr2O7；光致变形粒子包括As2S3、LiNbO3。
所述的步骤2)中掺杂功能纳米粒子的质量为PDMS质量的5-10％。
所述的步骤2)中掺杂功能纳米粒子的PDMS固化温度为65-85℃，固化时间为30-70分钟。
所述的步骤2)中的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维直径为2-15μm，深度为20-150μm，纤维中心距为20-140μm。
所述的步骤3)中过渡层材料为Ti、Si、Ge。
所述的步骤3)中过渡层材料是通过溅射制备的，厚度为20-60纳米。
所述的步骤3)中过渡材料表面的特异性修饰活性分子是通过溶液浸泡法表面修饰制备的。
所述的步骤4)中外场为磁场、电场、光场。
本发明的优点在于：
通过微纳制造技术制造的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维微纳米感知触角，大长径比的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维微纳米感知触角极大的的增加了比表面积，提高了微纳米感知触角触碰分子级靶标的概率。通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现对分子级靶标的主动搜寻/捕获。该微纳米感知触角具有靶标主动搜寻及捕捉功能，将突破静态传感器静态比表面积对靶标捕捉灵敏度的瓶颈，提供一种具有动态扫描搜寻功能的动态有效比表面积，大幅度提高靶标捕获/感知概率与检测灵敏度。
附图说明
图1是制造硅基微米级孔阵列模具流程图，图1a是掩蔽层薄膜的沉积示意图；图1b是光刻胶图形化示意图；图1c掩蔽层薄膜图形化示意图；图1d是干法刻蚀硅基示意图；图1e是去除光刻胶和掩蔽层薄膜获得硅基微米级孔阵列模具示意图。
图2是制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维流程图，图2a是PDMS/功能纳米粒子复合材料填充硅基微米级孔阵列模具示意图；图2b是脱模后获得PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维示意图。
图3是表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角示意图，图3a是过渡层材料的制备示意图；图3b是特异性修饰活性分子的制备示意图。
图4是通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获示意图，图4a是未施加外场微纳米感知触角静止示意图；图4b是施加磁场驱动微纳米感知触角摆动捕获靶标示意图；图4c是施加电场驱动微纳米感知触角摆动捕获靶标示意图；图4d是施加光场驱动微纳米感知触角摆动捕获靶标示意图。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
本实施例是对水中的隐孢子虫进行捕获，隐孢子虫为体积微小的球虫类的寄生虫，是一种以腹泻为主要临床表现的人畜共患性原虫病，10个卵囊即可致病，在饮用水中要求其浓度不能超过1个/10L，对于主动捕获分子靶标纳米感知触角是否捕获靶标隐孢子虫的验证性检测是通过表面等离子谐振(SPR)生物传感器来进行的。
一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，包括以下步骤：
1)参照图1，制造硅基微米级孔阵列模具：参照图1(a)，在清洗干净的硅基1表面沉积掩蔽层薄膜2；参照图1(b)，然后在掩蔽层薄膜2表面涂覆一层光刻胶3，再通过光刻技术获取光刻胶3图形化；参照图1(c)，然后通过腐蚀掩蔽层薄膜2获取掩蔽层薄膜图形化；参照图1(d)，再通过干法刻蚀获取含有掩蔽层薄膜2和光刻胶3的硅基1微米级孔阵列模具；参照图1(e)，然后去除掩蔽层薄膜2和光刻胶3，得到硅基1微米级孔阵列模具；所述硅基1微米级孔阵列模具孔直径为2μm、深度为20μm、中心距为20μm；
2)参照图2，制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维：
2.1)参照图2(a)，在100克PDMS 13中掺杂粒径100纳米的功能纳米粒子12，功能纳米粒子12质量为PDMS的5％，即5克，功能纳米粒子12为Fe粒子，通过乳化机搅拌均匀，浇注到硅基1微米级孔阵列模具中，在抽真空环境中，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4能够完全填充到硅基1微米级孔阵列模具中，并加热75℃，保持50分钟固化；
2.2)参照图2(b)，脱模得到得到PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维；所述PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维直径为2μm，深度为20μm，纤维中心距为20μm；
3)参照图3和图4，表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角：参照图3(a)，先在PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维表面通过溅射制备一层厚度为20纳米过渡层材料5，过渡层材料5为Si，参照图3(b)和图4，然后通过溶液浸泡法对过渡层材料5进行表面修饰，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维过渡层材料5表面获取利于与靶标7隐孢子虫粘附结合的特异性修饰活性分子6，特异性修饰活性分子6中含有获得微纳米感知触角14；
4)参照图4，通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获：在外场控制磁场9的作用下，磁场强度为1.5T，两个磁场极板的距离为15mm，通过控制磁场9施加方式、强度、方向，实现PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维姿态的动态控制，使微纳米感知触角14能够对容器8中分子级靶标7隐孢子虫进行主动式捕获。图4是通过磁场操控微纳米感知触角14定向/定域位姿实现微纳米感知触角14对分子级靶标7隐孢子虫的主动搜寻/捕获示意图，图(a)是未施加控制磁场9微纳米感知触角14静止示意图；图(b)是施加外场控制磁场9时，微纳米感知触角14摆动捕获靶标7隐孢子虫示意图；
本实施例的实验结果为：本发明采用主动捕获分子级靶标的微纳米感知触角，实验中感知触角捕获隐孢子虫快速，检测准确率可达到99.7％，检测灵敏度提升至10e-9量级，比传统的方法检测灵敏度提高了三个数量级。
实施例2
本实施例是对水中的隐孢子虫进行捕获，隐孢子虫为体积微小的球虫类的寄生虫，是一种以腹泻为主要临床表现的人畜共患性原虫病，10个卵囊即可致病，在饮用水中要求其浓度不能超过1个/10L，对于主动捕获分子靶标纳米感知触角是否捕获靶标隐孢子虫的验证性检测是通过表面等离子谐振(SPR)生物传感器来进行的。
一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，包括以下步骤：
1)参照图1，制造硅基微米级孔阵列模具：参照图1(a)，在清洗干净的硅基1表面沉积掩蔽层薄膜2；参照图1(b)，然后在掩蔽层薄膜2表面涂覆一层光刻胶3，再通过光刻技术获取光刻胶3图形化；参照图1(c)，然后通过腐蚀掩蔽层薄膜2获取掩蔽层薄膜图形化；参照图1(d)，再通过干法刻蚀获取含有掩蔽层薄膜2和光刻胶3的硅基1微米级孔阵列模具；参照图1(e)，然后去除掩蔽层薄膜2和光刻胶3，得到硅基1微米级孔阵列模具；所述硅基1微米级孔阵列模具孔直径为8μm、深度为85μm、中心距为80μm；
2)参照图2，制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维：
2.1)参照图2(a)，在100克PDMS 13中掺杂粒径300纳米的功能纳米粒子12，功能纳米粒子12质量为PDMS的7.5％，即7.5克，功能纳米粒子12为BaTiO3粒子，通过乳化机搅拌均匀，浇注到硅基1微米级孔阵列模具中，在抽真空环境中，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4能够完全填充到硅基1微米级孔阵列模具中，并加热85℃，保持30分钟固化；
2.2)参照图2(b)，脱模得到得到PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维；所述PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维直径为8μm，深度为85μm，纤维中心距为80μm；
3)参照图3和图4，表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角：参照图3(a)，先在PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维表面通过溅射制备一层厚度为40纳米过渡层材料5，过渡层材料5为Ti，参照图3(b)和图4，然后通过溶液浸泡法对过渡层材料5进行表面修饰，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维过渡层材料5表面获取利于与靶标7隐孢子虫粘附结合的特异性修饰活性分子6，特异性修饰活性分子6中含有获得微纳米感知触角14；
4)参照图4，通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获：在外场控制电场10的作用下，电压为50V，两个电极板的距离为25μm，通过控制电场10施加方式、强度、方向，实现PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维姿态的动态控制，使微纳米感知触角14能够对容器8中分子级靶标7隐孢子虫进行主动式捕获。图4是通过磁场操控微纳米感知触角14定向/定域位姿实现微纳米感知触角14对分子级靶标7隐孢子虫的主动搜寻/捕获示意图，图(a)是未施加控制电场10微纳米感知触角14静止示意图；图(c)是施加外场控制电场10时，微纳米感知触角14摆动捕获靶标7隐孢子虫示意图。
本实施例的实验结果为：本发明采用主动捕获分子级靶标的微纳米感知触角，实验中感知触角捕获隐孢子虫快速，检测准确率可达到99.7％，检测灵敏度提升至10e-9量级，比传统的方法检测灵敏度提高了三个数量级。
实施例3
本实施例是对水中的隐孢子虫进行捕获，隐孢子虫为体积微小的球虫类的寄生虫，是一种以腹泻为主要临床表现的人畜共患性原虫病，10个卵囊即可致病，在饮用水中要求其浓度不能超过1个/10L，对于主动捕获分子靶标纳米感知触角是否捕获靶标隐孢子虫的验证性检测是通过表面等离子谐振(SPR)生物传感器来进行的。
一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，包括以下步骤：
1)参照图1，制造硅基微米级孔阵列模具：参照图1(a)，在清洗干净的硅基1表面沉积掩蔽层薄膜2；参照图1(b)，然后在掩蔽层薄膜2表面涂覆一层光刻胶3，再通过光刻技术获取光刻胶3图形化；参照图1(c)，然后通过腐蚀掩蔽层薄膜2获取掩蔽层薄膜图形化；参照图1(d)，再通过干法刻蚀获取含有掩蔽层薄膜2和光刻胶3的硅基1微米级孔阵列模具；参照图1(e)，然后去除掩蔽层薄膜2和光刻胶3，得到硅基1微米级孔阵列模具；所述硅基1微米级孔阵列模具孔直径为15μm、深度为150μm、中心距为140μm；
2)参照图2，制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维：
2.1)参照图2(a)，在100克PDMS 13中掺杂粒径500纳米的功能纳米粒子12，功能纳米粒子12质量为PDMS的10％，即10克，功能纳米粒子12为LiNbO3粒子，通过乳化机搅拌均匀，浇注到硅基1微米级孔阵列模具中，在抽真空环境中，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4能够完全填充到硅基1微米级孔阵列模具中，并加热65℃，保持70分钟固化；
2.2)参照图2(b)，脱模得到得到PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维；所述PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维直径为15μm，深度为150μm，纤维中心距为140μm；
3)参照图3和图4，表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角：参照图3(a)，先在PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维表面通过溅射制备一层厚度为60纳米过渡层材料5，过渡层材料5为Ge，参照图3(b)和图4，然后通过溶液浸泡法对过渡层材料5进行表面修饰，使PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维过渡层材料5表面获取利于与靶标7隐孢子虫粘附结合的特异性修饰活性分子6，特异性修饰活性分子6中含有获得微纳米感知触角14；
4)参照图4，通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获：在外场控制光场11的作用下，功率密度为40W/cm2，光源与最近微纳米感知触角距离为20mm，通过控制光场11施加方式、强度、方向，实现PDMS/功能纳米粒子复合材料4的微米尺度纤维姿态的动态控制，使微纳米感知触角14能够对容器8中分子级靶标7隐孢子虫进行主动式捕获。图4是通过磁场操控微纳米感知触角14定向/定域位姿实现微纳米感知触角14对分子级靶标7隐孢子虫的主动搜寻/捕获示意图，图(a)是未施加控制光场11微纳米感知触角14静止示意图；图(d)是施加外场控制光场11时，微纳米感知触角14摆动捕获靶标7隐孢子虫示意图。
本实施例的实验结果为：本发明采用主动捕获分子级靶标的微纳米感知触角，实验中感知触角捕获隐孢子虫快速，检测准确率可达到99.7％，检测灵敏度提升至10e-9量级，比传统的方法检测灵敏度提高了三个数量级。
Claims (3)
1.一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制造硅基微米级孔阵列模具：首先准备清洗干净的硅基，然后通过光刻及干法刻蚀工艺制造硅基微米级孔阵列模具；
2)制造PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维：在PDMS中掺杂100～500纳米的功能纳米粒子，通过乳化机搅拌均匀，浇注到硅基微米级孔阵列模具中，在抽真空环境中，使PDMS/功能纳米粒子复合材料能够完全填充到硅基微米级孔阵列模具中，通过加热固化脱模得到PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维；
3)表面修饰PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维制备微纳米感知触角：先在PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维表面制备一层过渡层材料，然后通过表面修饰，使PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维过渡层材料表面获取利于与靶标分子粘附结合的特异性修饰活性分子；
4)通过外场操控微纳米感知触角定向/定域位姿实现微纳米感知触角对分子级靶标的主动搜寻/捕获：在外场控制装置的作用下，通过控制外场控制装置的强度、方向，实现微纳米感知触角姿态的动态控制，使其能够对环境中分子级靶标进行主动式搜寻/捕获；
所述的步骤1)中硅基微米级孔阵列模具孔直径为2-15μm、深度为20-150μm、中心距为20-140μm；
所述的步骤2)中功能纳米粒子为铁磁性粒子、介电质粒子或光致变形粒子，粒径为100-500nm，铁磁性粒子包括Fe、Ni或Co；介电质粒子包括BaTiO3、LiTiO3或La2Zr2O7；光致变形粒子包括As2S3或LiNbO3；
所述的步骤2)中掺杂功能纳米粒子的质量为PDMS质量的5-10％；
所述的步骤2)中的PDMS/功能纳米粒子复合材料的微米尺度纤维直径为2-15μm，深度为20-150μm，纤维中心距为20-140μm；
所述的步骤3)中过渡层材料为Ti、Si或Ge；
所述的步骤3)中过渡层材料是通过溅射制备的，厚度为20-60纳米；
所述的步骤4)中外场为磁场、电场或光场。
2.根据权利要求1所述的一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，其特征在于：所述的步骤2)中掺杂功能纳米粒子的PDMS固化温度为65-85℃，固化时间为30-70分钟。
3.根据权利要求1所述的一种可捕获分子靶标感知触角的制造及位姿操控方法，其特征在于：所述的步骤3)中过渡材料表面的特异性修饰活性分子是通过溶液浸泡法表面修饰制备的。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |