CN107930709A - 一种纸芯片及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纸芯片及其制备方法，涉及生物检测技术领域。一种纸芯片，包括纸基材，纸基材上设有至少一个检测区，检测区通过喷墨打印法固定有检测材料，检测材料包括蛋白基贵金属纳米簇和探测基元。其制备方法为将检测材料注入到喷墨打印设备的墨盒中，然后利用喷墨打印设备将检测材料打印到纸基材的检测区中，得到荧光型的纸芯片。利用蛋白基贵金属纳米簇为墨水，通过喷墨打印的方法制备得到荧光型纸芯片，可以实现对多种生物分子的检测，简单、便携、易于操控，且制备方法简单，易于实现。

Description

一种纸芯片及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物检测领域，且特别涉及一种纸芯片及其制备方法。

背景技术

2007年，Whitesides课题组首次提出了纸芯片的概念。由于纸质基底具有丰富的来源、低廉的成本、稳定的化学性能、方便的携带能力和良好的生物可降解性，结合其他的成熟技术，可方便地制备出用于分离、反应和探测的装置。相较于传统的微流控芯片，纸芯片的分析部件无需外置流体泵设备或复杂的电路设计和芯片设计，可以通过纸芯片中纤维素纤维的毛细血管作用达到送样和传输的目的。同时，纸芯片的柔软性为后续加工技术的创新提供了更好的平台和更大的可能性，因此，现阶段新型纸芯片的制备受到了研究者的广泛关注。

通常，纸芯片的制备需要事先将具有毒性的SU-8光敏胶填充在纸纤维的内部空隙，然后在经预处理的纸质基底上通过光刻图案或模塑法区分出检测区域和非检测区域。整个过程耗时较长、程序复杂、毒性高，极大地限制了纸芯片在纸基分析平台的进一步发展及应用，亟需得到一种简单绿色的制备纸芯片的方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种纸芯片，此纸芯片可用于检测多种生物分子，安全环保，简单易操作。

本发明的另一目的在于提供一种纸芯片的制备方法，采用喷墨打印法制备得到纸芯片，简单易控，操作性强。

本发明解决其技术问题是采用以下技术方案来实现的。

本发明提出一种纸芯片，用于生物分子检测，包括纸基材，所述纸基材上设有至少一个检测区，所述检测区通过喷墨打印法固定有检测材料，所述检测材料包括蛋白基贵金属纳米簇和探测基元。

本发明还提出上述的纸芯片的制备方法，其包括以下步骤：

S1，提供检测材料，将检测材料注入到喷墨打印设备的墨盒中；

S2，提供纸基材，将纸基材放入喷墨打印设备中；

S3，将检测材料打印至纸基材的检测区中。

本发明实施例的纸芯片及其制备方法的有益效果是：

本发明的技术原理是利用探测基元和待测的生物分子反应，生成能使蛋白基贵金属纳米簇发生荧光淬灭的淬灭剂(例如过氧化氢等)，根据反应前后的荧光变化或相对荧光强度实现待测生物分子的定性或定量检测。生物分子的评价指标明确，评价方法简单易操作，可以实现对多种生物分子的检测。

蛋白基贵金属(Au、Ag、Pt、)纳米簇是指由几个到约一百个原子组成的分子聚集体，其尺度小、无毒、水溶性好、光稳定性强、制备条件简单并有特殊的光学性能，能够发出较强荧光，用于生物荧光成像、生物传感器等。蛋白基贵金属纳米簇能够产生荧光，并在猝灭剂，例如过氧化氢的作用下发生荧光猝灭，利用此原理，可以用来实现对多种生物分子的检测，且使用的试剂均无毒副作用，绿色环保。

蛋白基贵金属纳米簇自身带有负电，能够作为喷墨打印设备中的墨水使用，且分子尺寸可控，有利于喷墨打印的进行。采用喷墨打印技术制备纸芯片，具有可控性好、用量小和成型性优良等特点，制备过程简单易操作，有效降低了成本，提高了检测的可重复性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明实施例1的纸芯片在滴加生物分子之前的荧光图；

图2为本发明实施例1的纸芯片在滴加生物分子之后的荧光图；

图3为本发明实施例1的纸芯片在滴加生物分子前后的荧光强度图；

图4为本发明实施例3的纸芯片在滴加生物分子之前的荧光图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

下面对本发明实施例的纸芯片及其制备方法进行具体说明。

本发明实施例提供的一种纸芯片，用于生物分子检测，包括纸基材，所述纸基材上设有至少一个检测区，检测区通过喷墨打印法固定有检测材料，检测材料包括蛋白基贵金属纳米簇和探测基元。

进一步地，选用角蛋白基金纳米簇，荧光强度高，检测效果好。由于角蛋白含有较多的半胱氨酸，故二硫键含量特别多，在蛋白质肽链中起交联作用，角蛋白化学性质特别稳定，有较高的机械强度，能够使得检测材料更好地固定在纸基材上。蛋白基金纳米簇可以通过购买得到，也可以自己制备，本领域技术人员采用现有的常规方法合成即可。例如，角蛋白基金纳米簇的制备方法为：将角蛋白与氯金酸溶液混合均匀，然后加入碱性溶液，振摇均匀，常温下反应后制得。

进一步地，在本发明较佳实施例中，纸基材的材料为不产生荧光的纸，例如滤纸片、层析纸、滤膜、离子交换纸等。在本实施例中，采用滤纸片作为纸基材，成本低，在紫外光下不产生荧光，对检测结果干扰小，且更容易对检测材料进行固定。

进一步地，在本发明较佳实施例中，检测材料还包括缓冲液，例如PBS缓冲液，PBS缓冲液能够对蛋白基金纳米簇、探测基元等进行有效的保护，避免物质损伤，有效提高产品的检测效果，延长保存期。

进一步地，蛋白基贵金属纳米簇、探测基元和缓冲液的体积比为1:5～10:10～50。在该配比下，在检测过程中，能够产生适宜的荧光强度，检测时间短，检测效果优良。且纸芯片的保存期延长至20～24个月。

进一步地，检测材料中颗粒的直径小于或等于2μm。具体地，在使用前，使用2μm、0.2μm或0.1μm的过滤器对作为墨水的检测材料进行过滤，以得到不同颗粒直径的检测材料。

进一步地，在本发明较佳实施例中，探测基元的种类为一种或多种，每种探测基元分别与一种待测生物分子反应。含有单一种类的探测基元的墨水，即可实现对单一生物分子的选择性检测。也可以通过含有多种探测基元的墨水，实现一张纸芯片同时对多种生物分子进行检测，集成化和智能化程度高。

进一步地，在本发明较佳实施例中，探测基元与待测的生物分子反应生成过氧化氢。例如，检测生物酶时，探测基元为与待测生物分子反应的底物，具体地，检测葡萄糖氧化酶时，探测基元为葡萄糖。检测过程中，生物酶与检测材料中的探测基元发生反应释放过氧化氢，随后过氧化氢破坏蛋白基金纳米簇结构，使其发生团簇，荧光淬灭。

利用滴加生物酶前后的纸芯片的可见光与紫外光照片颜色的差别可以实现生物酶的定性测试。利用生物酶作用前后的纸芯片的相对荧光强度可以实现生物酶的定量测试。根据相对荧光强度与生物酶浓度的标准曲线即可计算得到待测样品的浓度。

相对荧光强度的公式如下：

式中，δ为相对荧光强度，FI₀为未反应前纸芯片检测区的荧光强度值；FI为纸芯片检测区与生物酶反应后的荧光强度值。

由于生物酶能与相对应的探测基元迅速反应，生成过氧化氢，反应过程迅速，检测方法简单，易于实现和操控。

进一步地，在本发明较佳实施例中，纸芯片为一次性瞬时反应纸芯片。待测生物分子和探测基元瞬时反应产生过氧化氢等能够使蛋白基金纳米簇荧光淬灭的淬灭剂，无需经过长时间的孵育或反应过程，有效缩短反应时间。

进一步地，纸芯片的发射波长为680-700nm，激发波长为360-450nm。

本发明还提出上述的纸芯片的制备方法，其包括以下步骤：

S1，提供检测材料，将检测材料注入到喷墨打印设备的墨盒中；

S2，提供纸基材，将纸基材放入喷墨打印设备中；

S3，将检测材料打印至纸基材的检测区中。

进一步地，在本发明较佳实施例中，喷墨打印设备为压电式喷墨打印机，蛋白基贵金属纳米簇带有负电的特性，能够使得作为墨水的检测材料在压电的作用下顺利挤出喷嘴，有利于喷墨打印的进行。

进一步地，将纸基材放入喷墨打印设备前，还包括以下步骤：

S4，将纸基材浸润在预处理液中5～15min后晾干。

进一步地，预处理液为蛋白溶液，所述蛋白溶液中蛋白的质量分数为5～10％。所述蛋白溶液中选自丝素蛋白溶液、角蛋白溶液中的一种或混合物。先对纸基材进行预处理，使得纸基材上附着有蛋白分子，蛋白分子能够与检测材料中的角蛋白基金纳米簇在介观尺度上发生自组装，蛋白分子中整齐的网络结构牢固地包裹并固定角蛋白基金纳米簇分子，使得墨水(检测材料)与基底(纸基材)紧密链接。

进一步地，将检测材料打印至所述纸基材的检测区中的步骤包括：

S31，在计算机上设计出检测区的打印图案；

S32，喷墨打印设备根据打印图案进行打印，以使检测材料固定在预设的检测区域内。

进一步地，在本发明较佳实施例中，设计的打印图案使得纸基材上分为检测区和非检测区，检测区上喷印有检测材料，非检测区不含有喷印墨水。进一步地，设有至少两个检测区，相邻两个检测区间隔1～5cm。每个检测区间形成一定间隔，避免多个检测区因为溶剂扩散等原因引起干扰。

每个检测区的形状不限，可以是圆形、方形或其他不规则形状等。优选地，本实施例中，检测区的形状为直径1～2cm的圆形，在满足检测需求的基础上能够有效减少试剂的用量。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本实施例提供的一种纸芯片，其根据以下步骤制备得到：

(1)将滤纸片浸润在质量分数为5wt％的丝素蛋白溶液中5min后通风晾干。

(2)将蛋白基金纳米簇溶液、葡萄糖(探测基元)和PBS缓冲溶液按照1:5:10的体积比进行配比，得到喷墨打印墨水，该墨水经0.2μm的过滤器过滤后注入喷墨打印墨盒中。

(3)开启喷墨打印机并连接电脑，将经丝素蛋白溶液预处理后的滤纸片放入打印机内，设计完成点阵图案后在界面上点击打印，得检测葡萄糖氧化酶的荧光纸芯片。

如图1所示为制得的荧光纸芯片在紫外光照射下的实物图。该纸芯片上设有一个圆形的检测区，在紫外灯下发出红色的荧光。在检测区上滴加葡萄糖氧化酶(待测生物分子)后，如图2所示，纸芯片的检测区由有色变成无色。测定检测区在滴加葡萄糖氧化酶前后的荧光强度，结果如图3所示，滴加葡萄糖氧化酶后，葡萄糖氧化酶和葡萄糖发生反应生成过氧化氢，使得蛋白基金纳米簇发生荧光淬灭。

实施例2

本实施例提供的一种纸芯片，其根据以下步骤制备得到：

(1)将滤纸片浸润在质量分数为10wt％的羊毛角蛋白溶液中15min后通风晾干。

(2)将蛋白基金纳米簇溶液、黄嘌呤和PBS缓冲溶液按照1:10:50的体积比进行配比，得到喷墨打印墨水，该墨水经0.1μm的过滤器过滤后注入喷墨打印墨盒中。

(3)开启喷墨打印机并连接电脑，将经羊毛角蛋白溶液预处理后的滤纸片放入打印机内，设计完成点阵图案后在界面上点击打印，得检测黄嘌呤氧化酶的荧光纸芯片。分别在可见光和紫外光照射时因为滴加黄嘌呤氧化酶使得荧光纸芯片由有色变无色，结果与实施例1类似。

实施例3

本实施例提供的一种纸芯片，其根据以下步骤制备得到：

(1)将滤纸片浸润在质量分数为6wt％的羊毛角蛋白溶液中8min后通风晾干。

(2)将蛋白基金纳米簇溶液、葡萄糖和PBS缓冲溶液按照1:6:20的体积比进行配比，得到喷墨打印墨水1，该墨水经0.15μm的过滤器过滤后注入喷墨打印墨盒1中；同时，将蛋白基金纳米簇溶液、黄嘌呤和PBS缓冲溶液按照1:10:30的体积比进行配比，得到喷墨打印墨水2，该墨水经0.2μm的过滤器过滤后注入喷墨打印墨盒2中。

(3)打印机并连接电脑，将经羊毛角蛋白溶液预处理后的滤纸片放入打印机内，设计完成不同颜色的点阵图案后在界面上点击打印，得检测葡萄糖氧化酶和黄嘌呤氧化酶的荧光纸芯片。

如图4所示，检测区A1为葡萄糖氧化酶的检测区，检测区A2为黄嘌呤氧化酶的检测区。

综上所述，本发明实施例提供的纸芯片，将含有探测基元的蛋白基金纳米簇溶液作为墨水，可以使用喷墨打印法在纸基材上打印出多个检测区。蛋白基金纳米簇和纸基材中的蛋白分子在介观尺度上发生自组装，使得墨水和纸基材紧密链接，制得的纸芯片保存期达3～24个月，且制备方法简单，易于操作，无需使用有毒试剂，绿色环保。此外，通过待测生物分子与探测基元发生反应生成过氧化氢等，使得蛋白基金纳米簇荧光淬灭，实现对多种生物分子的检测，对检测的评价指标明确，评价方法简单易操作。此外，可以设计出多个颜色不同的检测区，不同颜色的检测区含有不同探测基元的检测材料，从而在一张纸芯片上集成多个不同的检测区，实现对多种生物子的同一检测，具有广阔的应用前景。

以上所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (10)

1.一种纸芯片，其特征在于，用于生物分子检测，包括纸基材，所述纸基材上设有至少一个检测区，所述检测区通过喷墨打印法固定有检测材料，所述检测材料包括蛋白基贵金属纳米簇和探测基元。

2.根据权利要求1所述的纸芯片，其特征在于，所述纸基材的材料选用滤纸片、层析纸、滤膜、离子交换纸中的一种。

3.根据权利要求1所述的纸芯片，其特征在于，所述检测材料还包括缓冲液，所述蛋白基贵金属纳米簇、所述探测基元和所述缓冲液的体积比为1:5～10:10～50。

4.根据权利要求1所述的纸芯片，其特征在于，所述纸基材上设有至少两个所述检测区，相邻两个所述检测区间隔1～5cm。

5.根据权利要求1所述的纸芯片，其特征在于，所述探测基元的种类为一种或多种，每种所述探测基元分别与一种待测生物分子反应。

6.根据权利要求1所述的纸芯片，其特征在于，所述探测基元与待测的生物分子反应生成过氧化氢。

7.一种如权利要求1～6任意一项所述的纸芯片的制备方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1，提供所述检测材料，将所述检测材料注入到喷墨打印设备的墨盒中；

S2，提供所述纸基材，将所述纸基材放入所述喷墨打印设备中；

S3，将所述检测材料打印至所述纸基材的检测区中。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述纸基材放入所述喷墨打印设备前，还包括以下步骤：

S4，将所述纸基材浸润在预处理液中5～15min后晾干。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述预处理液为蛋白溶液，所述蛋白溶液中蛋白的质量分数为5～10％。

10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，将所述检测材料打印至所述纸基材的检测区中的步骤包括：

S31，在计算机上设计出所述检测区的打印图案；

S32，所述喷墨打印设备根据所述打印图案进行打印，以使所述检测材料固定在预设的检测区域内。