CN108163802A - 一种抗原检测材料及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种抗原检测材料的制备方法，包括以下步骤：首先采用电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底，然后对多孔硅基底进行表面修饰，使其组装分别含有疏水长碳和具有反应性端基的两种硅烷的复合单层膜，最后将特定抗体接枝到经过修饰的多孔硅基底材料表面生成复合单分子层，使该表面成为一种结合有特定抗体的超疏水生物功能表面。本发明制备的超疏水生物功能化的多孔硅材料可以用来检测抗原疾病，其原理是该含有抗体的材料表面可与含有抗原的液体发生作用产生粘附力，通过检测其对待检测样品液滴粘附力的有无及大小来判断待测样品中是否含有某种特定的疾病抗原。本发明中涉及的检测材料制备工艺简单，检测过程方便，具有很高的实际应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及一种多孔硅基底表面修饰的方法，具体地说，是通过对多孔硅基底表面进行修饰使该表面成为一种结合有特定疾病抗体的超疏水生物功能表面，利用其超疏水性和生物功能该材料可用来快速检测待测样品中是否含有特定的疾病抗原。
背景技术
硅材料在作为生物传感器、生物芯片等研究中有广泛的应用，可以用来作为生物传感器，在抗原或抗体检测方面，常见的方法是通过在多孔硅基材表面接枝抗原/抗体，当检测样品中的抗体/抗原与其结合时，会改变多孔硅薄膜的折光率，从而产生响应信号实现对抗体的传感。基于多孔硅的检测方法包括：反射光谱的检测和拉曼、荧光光谱的检测，前两者都是非标记生物检测技术中常用的方法。
专利CN 103979543 A公开了一种多孔硅的修饰方法及其作为生物传感器的用途，该修饰方法包括以下步骤：首先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；然后将得到的多孔硅进行烷氧基硅烷修饰；最后与4-(二乙氨基)水杨醛反应，得到带有芳叔胺基团的多孔硅。并且指出该修饰过的多孔硅可以作为生物传感器用于光学非标记生物检测各种可溶性受体分子。但该类方法所制备的材料在用于生物检测时，通常检测情况下拉曼信号较弱。
专利CN 103116019 A公开了一种免疫基底的制备方法及抗原或抗体的免疫检测方法，该免疫基底的制备方法利用金或银纳米粒子修饰硅片，再在金或银纳米粒子表面修饰抗体/抗原，用于捕获待测抗原/抗体，利用了金或银纳米粒子的表面增强拉曼散射效应，大大提高了免疫检测的灵敏度，弥补了通常检测情况下拉曼信号较弱的缺点，并且可进行高通量的多抗原或多抗体检测。
专利CN 104726927 A公开了一种硅基仿生微纳结构超疏水表面的制备方法：首先通过电化学刻蚀制备多孔硅薄膜，获得多孔硅仿生微纳结构表面，然后以浓硫酸和双氧水处理使其表面羟基化，最后用长链硅烷R-SiX3(R＝CnH2n+1，n＝8、9、10…20，X＝Cl，OCH3，OC2H5)修饰，或多巴胺接枝。相对于复杂、耗时、成本较高的光刻技术，该方法简单、高效、成本较低。
目前已知的硅基材料在用于生物检测方面，一般是通过对其光学特性的改变进行检测来实现其生物检测功能的，这种间接的检测方式存在着一定的限制，并且一些检测材料的制备方法较为复杂和不易控制。
发明内容
为了克服现有技术的缺陷，本发明目的是提供一种对多孔硅基底表面的修饰方法，并将其应用于对疾病抗原的检测。
为实现上述目的，本发明的所采取的技术方案为：
一种抗原检测材料的制备方法，该材料以多孔硅为基底材料，所述材料的制备过程包括以下步骤：
(1)用电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底；
(2)对步骤(1)得到的多孔硅基底进行表面修饰：将步骤(1)具有多孔结构的硅基材浸涂在含有疏水长碳链硅氧烷和具有反应性端氨基的硅氧烷的混合溶液中，同时组装含有两种硅烷的复合单层膜，从而使该基底表面同时具有超疏水性和与抗体发生反应的特性，并且通过调整组装混合溶液两种硅氧烷功能分子的百分比来改变这两种分子在多孔硅基材表面的占比；以体积分数计，所述混合溶液的组成为：具有反应性端氨基的硅氧烷：0.8％～1.6％、含有疏水长碳链硅氧烷：0.2％～3.2％，溶剂：95.2％～99.0％；
(3)将特定抗体接枝到步骤(2)中反应性端氨基的位点从而在多孔硅基底材料表面形成抗体分子与疏水长碳链硅烷复合单分子层，复合单分子层建立在具有微米多孔结构的硅基材表面，使该表面成为一种结合有特定抗体的超疏水生物功能表面。
其中：步骤(1)中电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底，具体包括以下过程：
在进行电化学刻蚀前，将单面抛光的单晶硅片分别用丙酮、去离子水超声清洗3min，然后晾干；将晾干的硅片放入体积比为3∶1的浓硫酸与双氧水的混合溶液中，至硅片表面不再产生气泡，取出硅片用去离子水冲洗干净，放入体积分数为5％的氢氟酸水溶液中浸泡1min，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干，放入无水乙醇中备用；
电化学刻蚀方法制备多孔硅：以体积分数为25％的氢氟酸乙醇溶液作为电解液，恒电流电解、电流密度3mA/cm2、腐蚀时间为600s，电化学阳极氧化得到多孔硅，所获得的多孔硅基底经过乙醇清洗去除残留的腐蚀液，氮气吹干。
所述步骤(2)中对多孔硅基底进行表面修饰前需要通过氧化处理将其硅氢键氧化生成硅醇键，具体为：
将吹干的多孔硅基材进行热处理，在100～150℃保温24h进行缓慢氧化，多孔硅表面的硅氢键氧化生成硅醇键；然后将其分别用丙酮、无水乙醇超声清洗3min，氮气吹干，100℃真空干燥6～12h。
所述步骤(2)中对多孔硅基材进行表面修饰具体包括以下过程：多孔硅与混合溶液的质量比为1:2～1:10，氮气流保护下，室温反应2～6h；反应结束过滤除去溶液，分别用溶剂、无水乙醇和去离子水超声清洗3min，50℃真空干1h，得到含有两种硅烷的复合单层膜多孔硅，放入冰箱4℃保存待用。
所述步骤(2)中混合溶液组成为：以体积分数计，所述混合溶液的组成为：具有反应性端氨基的硅氧烷：0.8％～1.6％、含有疏水长碳链硅氧烷：0.2％～3.2％，溶剂：95.2％～99.0％。
优选的：具有反应性端氨基的硅氧烷为氨丙基三甲氧基硅烷，含有疏水长碳链的硅氧烷为全氟辛基三甲氧基硅烷，溶剂为正己烷。
所述步骤(3)中所述抗体的接枝方法为：
用pH值为7.4的PBS缓冲溶液配制适宜浓度的抗体点样液，将抗体溶液滴加到多孔硅基材上反应1h，抗体通过与氨丙基三甲氧基硅烷发生缩聚反应被固定到硅基材表面生成复合单分子层使该表面成为一种结合有特定抗体的超疏水生物功能表面抗体，用PBS缓冲液和去离子水冲洗以除去多余的反应液。
所述抗体点样液：其浓度为1～3mg/mL，所述抗体的种类由待检测样品中抗原的种类决定。
另外，本发明还要求保护由所述的抗原检测材料的制备方法制备得到的检测材料以及其用途：通过其对待检测样品液滴的粘附力可以快速检测待测样品中的致病抗原。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)上述检测材料在制备过程中，通过调整组装混合溶液中两种硅氧烷功能分子的百分比来改变其在多孔硅基材表面的占比，从而决定后续步骤中材料表面接枝抗体的浓度及材料的疏水性大小。所制备的检测材料水接触角大于150度，水滚动角小于10度。在用来检测待测样品中是否含有特定的致病抗原时，其原理是，将待测样品液滴滴到该表面上，如果其中含有能与该特定抗体作用的抗原，会因为发生抗体抗原相互作用而被粘附到表面上，而当待测样品中不含有该致病抗原时，则不会被粘附到表面上，并且根据待测样品和检测材料之间粘附力的大小可以判断待测样品中特定抗原的浓度。所述待检测样品为血液或者其他体液等含有抗原的液体生物样品，还包括人工配制的含有抗原的生物样品等；
(2)本发明中的多孔硅检测材料制备工艺简单，成本较低，并且在应用于抗原检测时，具有简便、高效、经济、直观等优点，有很高的实际应用价值。
具体实施方式
实施例1：
制备可检测血液样品中HIV-1抗原的多孔硅基材料并用于检测待测血液样品。
A.制备可检测血液样品中乙肝表面抗原的多孔硅基材料：
(1)电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底：
对硅片进行清洗：将单面抛光的单晶硅片分别用丙酮、去离子水超声清洗3min，然后晾干；然后放入体积比为3∶1的浓硫酸与双氧水的混合溶液中，至硅片表面不再产生气泡，取出硅片用去离子水冲洗干净，放入体积分数为5％的氢氟酸水溶液中浸泡1min，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干。
电化学刻蚀方法制备多孔硅：以体积分数为25％的氢氟酸乙醇溶液作为电解液，恒电流电解、电流密度3mA/cm2、腐蚀时间为600s，电化学阳极氧化得到多孔硅，所获得的多孔硅基底经过乙醇清洗去除残留的腐蚀液，氮气吹干。
(2)对步骤(1)得到的多孔硅基底进行表面修饰：
对多孔硅基底进行表面修饰前需要通过氧化处理将其硅氢键氧化生成硅醇键：将吹干的多孔硅基材进行热处理，在100℃保温24h进行缓慢氧化；然后分别用丙酮、无水乙醇超声清洗3min，氮气吹干，100℃真空干燥6h。
对多孔硅基底进行表面修饰：将表面氧化处理后的多孔硅基底多孔结构的硅基材浸涂在由体积分数为1.2％的氨丙基三甲氧基硅烷、2.3％的全氟辛基三甲氧基硅烷，96.5％的正己烷组成的混合溶液中。
多孔硅与混合溶液的质量比为1:5，氮气流保护下，室温反应2h，组装含有两种硅烷的复合单层膜；反应结束过滤除去溶液，分别用溶剂、无水乙醇和去离子水超声清洗3min，50℃真空干1h，得到含有两种硅烷的复合单层膜多孔硅。
(3)将HIV-1抗体接枝到步骤(2)中经过修饰的多孔硅基底材料表面：
用PH值为7.4的PBS缓冲溶液配制浓度为2mg/ml的HIV-1抗体点样液，将抗体溶液滴加到多孔硅基材上反应1h，然后用PBS缓冲液和去离子水冲洗以除去多余的反应液。
B.检测待测血液样品：
分别对含有HIV-1抗原和不含有HIV-1抗原的两种血液样品进行检测，将少量的血液液滴(约为0.05ml)分别滴加到检测材料表面，其中含有HIV-1抗原的血液液滴被粘附到材料表面上，而不含有HIV-1抗原的血液液滴没有被粘附到表面上。
实施例2：
制备可检测血液样品中乙肝表面抗原的多孔硅基材料并用于检测人工配制的含有乙肝表面抗原的缓冲溶液样品。
A.制备可检测血液样品中乙肝表面抗原的多孔硅基材料：
(1)电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底：
对硅片进行清洗：将单面抛光的单晶硅片分别用丙酮、去离子水超声清洗3min，然后晾干；然后放入体积比为3∶1的浓硫酸与双氧水的混合溶液中，至硅片表面不再产生气泡，取出硅片用去离子水冲洗干净，放入体积分数为5％的氢氟酸水溶液中浸泡1min，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干。
电化学刻蚀方法制备多孔硅：以体积分数为25％的氢氟酸乙醇溶液作为电解液，恒电流电解、电流密度3mA/cm2、腐蚀时间为600s，电化学阳极氧化得到多孔硅，所获得的多孔硅基底经过乙醇清洗去除残留的腐蚀液，氮气吹干。
(2)对步骤(1)得到的多孔硅基底进行表面修饰：
对多孔硅基底进行表面修饰前需要通过氧化处理将其硅氢键氧化生成硅醇键：将吹干的多孔硅基材进行热处理，在120℃保温24h进行缓慢氧化；然后分别用丙酮、无水乙醇超声清洗3min，氮气吹干，100℃真空干燥12h。
对多孔硅基底进行表面修饰：将表面氧化处理后的多孔硅基底多孔结构的硅基材浸涂在由体积分数为1.6％的氨丙基三甲氧基硅烷、3.2％的全氟辛基三甲氧基硅烷，95.2％的正己烷组成的混合溶液中。
多孔硅与混合溶液的质量比为1:7，氮气流保护下，室温反应2h，组装含有两种硅烷的复合单层膜；反应结束过滤除去溶液，分别用溶剂、无水乙醇和去离子水超声清洗3min，50℃真空干1h，得到含有两种硅烷的复合单层膜多孔硅。
(3)将乙肝表面抗体抗-HBs接枝到步骤(2)中经过修饰的多孔硅基底材料表面：
用PH值为7.4的PBS缓冲溶液配制浓度为3mg/ml的乙肝表面抗体抗-HBs点样液，将抗体溶液滴加到多孔硅基材上反应1h，然后用PBS缓冲液和去离子水冲洗以除去多余的反应液。
B.检测人工配制的含有乙肝表面抗原的缓冲溶液样品：
配制乙肝表面抗原浓度为0.1nmol/ml、1.0nmol/ml和10.0nmol/ml的PBS缓冲液，分别对其进行检测分析，将少量的液滴(约为0.05ml)分别滴加到检测材料表面，其中乙肝表面抗原浓度为0.1nmol/ml的缓冲溶液液滴不能观察到明显的被粘附现象，而乙肝表面抗原浓度为1.0nmol/ml和10.0nmol/ml的缓冲溶液液滴均可以被粘附到材料表面上，并且乙肝表面抗原浓度越高其粘附力越大。经过观察验证所制备多孔硅抗原检测材料对抗原的最低检测浓度可达到10-9mol，检测过程方便、高效、灵敏。
上述对于示例性实施例进行说明，不应理解为对本发明进行限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式一一列举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.一种抗原检测材料的制备方法，该材料以多孔硅为基底材料，其特征在于：所述材料的制备过程包括以下步骤：
(1)用电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底；
(2)对步骤(1)得到的多孔硅基底进行表面修饰：将步骤(1)具有多孔结构的硅基材浸涂在含有疏水长碳链硅氧烷和具有反应性端氨基的硅氧烷的混合溶液中，同时组装含有两种硅烷的复合单层膜，从而使该基底表面同时具有超疏水性和与抗体发生反应的特性，并且通过调整组装混合溶液两种硅氧烷功能分子的百分比来改变这两种分子在多孔硅基材表面的占比；以体积分数计，所述混合溶液的组成为：具有反应性端氨基的硅氧烷：0.8％～1.6％、含有疏水长碳链硅氧烷：0.2％～3.2％，溶剂：95.2％～99.0％；
(3)将特定抗体接枝到步骤(2)中反应性端氨基的位点从而在多孔硅基底材料表面形成抗体分子与疏水长碳链硅烷复合单分子层，复合单分子层建立在具有微米多孔结构的硅基材表面，使该表面成为一种结合有特定抗体的超疏水生物功能表面。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(1)中电化学刻蚀方法制备微米多孔硅基底，具体包括以下过程：
在进行电化学刻蚀前，将单面抛光的单晶硅片分别用丙酮、去离子水超声清洗3min，然后晾干；将晾干的硅片放入体积比为3∶1的浓硫酸与双氧水的混合溶液中，至硅片表面不再产生气泡，取出硅片用去离子水冲洗干净，放入体积分数为5％的氢氟酸水溶液中浸泡1min，然后用去离子水冲洗干净，氮气吹干，放入无水乙醇中备用；
电化学刻蚀方法制备多孔硅：以体积分数为25％的氢氟酸乙醇溶液作为电解液，恒电流电解、电流密度3mA/cm2、腐蚀时间为600s，电化学阳极氧化得到多孔硅，所获得的多孔硅基底经过乙醇清洗去除残留的腐蚀液，氮气吹干。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中对多孔硅基底进行表面修饰前需要通过氧化处理将其硅氢键氧化生成硅醇键，具体为：
将吹干的多孔硅基材进行热处理，在100～150℃保温24h进行缓慢氧化，多孔硅表面的硅氢键氧化生成硅醇键；然后将其分别用丙酮、无水乙醇超声清洗3min，氮气吹干，100℃真空干燥6～12h。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中对多孔硅基材进行表面修饰具体包括以下过程：
多孔硅与混合溶液的质量比为1:2～1:10，氮气流保护下，室温反应2～6h；反应结束过滤除去溶液，分别用溶剂、无水乙醇和去离子水超声清洗3min，50℃真空干1h，得到含有两种硅烷的复合单层膜多孔硅，放入冰箱4℃保存待用。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(2)中所述混合溶液组成为：以体积分数计，所述混合溶液的组成为：具有反应性端氨基的硅氧烷：0.8％～1.6％、含有疏水长碳链硅氧烷：0.2％～3.2％，溶剂：95.2％～99.0％。
6.根据权利要求1-5所述的方法，其特征在于：具有反应性端氨基的硅氧烷为氨丙基三甲氧基硅烷，含有疏水长碳链的硅氧烷为全氟辛基三甲氧基硅烷，溶剂为正己烷。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：步骤(3)中所述抗体的接枝方法为：
用pH值为7.4的PBS缓冲溶液配制适宜浓度的抗体点样液，将抗体溶液滴加到多孔硅基材上反应1h，抗体固定到硅基材表面后，用PBS缓冲液和去离子水冲洗以除去多余的反应液。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：所述抗体点样液：其浓度为1～3mg/mL，所述抗体的种类由待检测样品中抗原的种类决定。
9.根据权利要求1所述的抗原检测材料的制备方法制备得到的检测材料。
10.根据权利要求9所述检测材料的用途，其特征在于：该材料的用途是通过其对待检测样品液滴的粘附力可以快速检测待测样品中的致病抗原。
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