CN108645824B - 传感器阵列芯片及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微纳米器件与复杂底物分析检测技术领域，公开了传感器阵列芯片及其制备方法和应用。传感器阵列芯片包含基底，以及在基底表面形成的多组重复排列的阵列单元，每个所述阵列单元包含多个相互不同的识别单元，每个所述识别单元包含光子晶体形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，所述识别层含有氧化石墨烯和荧光指示剂；每个所述阵列单元中不同的识别单元之间，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，且各识别单元所含有的荧光指示剂不同；在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配。本发明传感器芯片能够实现多底物的高效分析辨别，检测准确性和重现性高。

Description

传感器阵列芯片及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及微纳米器件与复杂底物分析检测技术领域，具体涉及一种传感器阵列芯片及其制备方法和应用。
背景技术
随着社会的不断进步与发展，现代的检测分析要求我们使用最少的样品用量来获得最多的传感信息。尽管人类在许多单一底物的灵敏检测与特异性识别上取得了很大进步，但是这些传统的特异性检测探针要求对于每一种待检测的物质都要设计一个特异性的探针，这种特点限制了它在当前高通量检测分析中的应用。
面对自然界的复杂环境，生物体通过进化出多感官来识别、判断与认知身边复杂、多元的客体世界。在生物界中，动物可以通过味觉和嗅觉系统对复杂环境中的多种气味分子进行同时辨别，“Differential Receptor Arrays and Assays for Solution-BasedMolecular Recognition.”A.T.Wright,E.V.Anslyn,Chem.Soc.Rev.,2006,35卷,p:14-28.公开了通过对嗅觉(味觉)系统识别过程的模仿，发展了一种由多种传感化合物组成的传感阵列，通过分析成系列的多个化合物对检测物的差别性响应，实现了对多种底物的同时检测与辨别。
经过多年的研究，传感阵列已经取得了长足的发展。目前传感阵列已经在多个领域的应用中崭露头角，如食品安全、环境监测、药物筛选、疾病诊断等。但是传统传感阵列的“多对多”(用多个传感分子识别多个检测物)模式还存在着一些缺陷。例如：当前的传感阵列往往由多个传感分子构成，而对于每一个传感分子的设计与合成过程通常是十分复杂的。另外嗅觉的产生包括两个过程：嗅毛对气味分子的识别以及嗅小球对嗅细胞产生的混乱的神经信号的编码(信息处理)；而目前的传感阵列仅仅是对于嗅觉产生的初级过程(嗅毛识别气味分子)的模仿。
此外，在复杂环境的待测物中，例如尿液、汗液、生理缓冲溶液，干扰物对于待测物有较大的影响，很难做到主信号的选择性提取与噪音信号的去除。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的传感器阵列芯片通常用多个传感分子识别多个检测物，多个传感分子合成复杂；而且，传统的多底物检测传感器仅模仿嗅觉(味觉)识别过程辨别待测物，效率低、准确性、重现性有待提高；对于复杂环境的待测物检测，效果不佳的问题，提供一种传感器阵列芯片及其制备方法和应用，该传感器阵列芯片将氧化石墨烯与荧光指示剂结合作为识别层，将光子晶体作为信号处理层，能够实现多底物的高效分析辨别，且对于复杂环境中的待测物检测准确性和重现性高，芯片制备方法简便。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种传感器阵列芯片，其中，该传感器阵列芯片包含基底，以及在基底表面形成的多组重复排列的阵列单元，每个所述阵列单元包含多个相互不同的识别单元，其中，每个所述识别单元包含光子晶体形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和荧光指示剂；
其中，每个所述阵列单元中不同的识别单元之间，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，且各识别单元所含有的荧光指示剂不同；
在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配。
本发明第二方面提供上述的传感器阵列芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)将光子晶体水溶液在基底表面进行自组装，形成信号处理层；
(b)将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；
(c)将荧光指示剂加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层，形成一个识别单元；
(d)重复步骤(a)-(c)，形成多个相互不同的识别单元，
其中，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，和所含有的荧光指示剂不同，得到一组阵列单元；
其中，在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配；
(e)重复步骤(a)-(d)，在所述基底表面上形成多组重复排列的阵列单元，得到传感器阵列芯片。
本发明第三方面提供了上述的传感器阵列芯片在检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质中的应用。
优选地，所述生物胺包括苯乙胺、多巴胺、组胺、去甲肾上腺素、羟色胺、酪胺、肾上腺素、亚精胺和精胺中的一种或多种。
优选地，所述药物胺包括磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦和伯氨喹中的一种或多种。
本发明的传感器阵列利用氧化石墨烯结合荧光指示剂作为芯片的识别层，利用具有不同光子禁带位置的光子晶体作为芯片的信号处理层，识别层与信号处理层构成的识别单元，类似于仿生双层结构，在识别层中待检测物与荧光分子在氧化石墨烯上产生竞争取代作用，通过竞争吸附机理，使荧光分子释放出来；在信号处理层中释放的荧光分子被光子晶体选择性的放大而得到信号的再加工，对多种不同底物实现检测与识别。在复杂信号背景中，本发明的传感器阵列芯片还能分析主信号并选择性提取，同时去除噪音信号，因此，在复杂环境的待测物中，例如尿液、汗液、生理缓冲溶液，均有较好的检测效果。
本发明通过引入光子晶体作为信号处理层，结合含有氧化石墨烯和荧光分子的识别层，实现了嗅毛识别气味分子和嗅小球的信息处理双重效果，从而提高了传感器阵列芯片的辨别效率。
本发明的制备方法以具有荧光淬灭性能及识别(与检测物质结合)功能的通用性识别平台(氧化石墨烯)结合荧光指示剂分子共同构成传感阵列的识别单元，避免传统传感阵列中多种传感分子设计合成复杂的问题。
本发明的传感器阵列芯片对生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白等物质的检测与分析，结合多级分组分析(HCA)与线性差别分析(LDA)等统计学方法，实现了多底物检测与识别。其中，生物胺可以为但不限于苯乙胺(PEA)、多巴胺(DA)、组胺(HA)、去甲肾上腺素(NP)、羟色胺(5-HT)、酪胺(TA)、肾上腺素(EB)、亚精胺(SID)、精胺(SI)等；药物胺可以为但不限于磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦、伯氨喹等。
附图说明
图1是本发明的识别单元为多个点的传感器阵列芯片的示意图；
图2是本发明的识别单元为线的传感器阵列芯片的示意图；
图3是本发明的一组阵列单元的示意图；
图4是本发明的传感器阵列芯片通过线性差别分析法对生物胺的识别检测结果图；
图5是本发明的传感器阵列芯片通过多级分组分析法对生物胺的识别检测结果图；
图6是对比例3的传感器阵列芯片通过线性差别分析法对生物胺的识别检测结果图；
图7是本发明的传感器阵列芯片通过线性差别分析法对药物胺的识别检测结果图；
图8是本发明的传感器阵列芯片通过多级分组分析法对药物胺的识别检测结果图。
附图标记说明
1、基底 2、信号处理层
3、识别层 4、荧光指示剂
S1、第一识别单元 S2、第二识别单元
S3、第三识别单元 Z1、第一阵列单元
Z2、第二阵列单元 Z3、第三阵列单元
Z4、第四阵列单元 Z5、第五阵列单元
Z6、第六阵列单元 Z7、第七阵列单元
Z8、第八阵列单元
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明第一方面提供一种传感器阵列芯片，其中，该传感器阵列芯片包含基底1，以及在基底表面形成的多组重复排列的阵列单元，每个所述阵列单元包含多个相互不同的识别单元，其中，每个所述识别单元包含光子晶体形成的信号处理层2，以及在信号处理层表面形成的识别层3，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和荧光指示剂4；
其中，每个所述阵列单元中不同的识别单元之间，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，且各识别单元所含有的荧光指示剂不同；
在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配。
在本发明中，光子晶体的光子禁带位置是指光子晶体反射光谱中反射峰的峰位，可以通过反射光谱进行测量，测量方法为本领域常规的方法，在此不再赘述。
在本发明中，荧光指示剂4的荧光峰的波长可以通过荧光显微镜或荧光扫描仪进行测量，测量方法为本领域常规的方法，在此不再赘述。
在本发明中，光子晶体的光子禁带位置所对应的波长的范围与荧光指示剂的荧光峰所对应的波长范围相匹配，例如，聚苯乙烯小球(光子晶体)的光子禁带位置的波长为(540nm-545nm)与吖啶橙荧光指示剂的荧光峰所对应的波长535nm相匹配。
在本发明中，通过光子晶体的光子禁带位置的波长能够得到所对应的光子晶体的粒径。例如，光子晶体为聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为540nm所对应的粒径为200nm。
在本发明中，所述每个识别单元可以以多个点形成一行识别单元的形式存在，也可以以线的形式存在，但不限于此。例如，识别单元为多个点的传感器阵列芯片的示意图如图1所示；识别单元为线的传感器阵列芯片的示意图如图2所示。其中，一组阵列单元的示意图如图3所示。
在本发明中，所述多个识别单元的个数为3-10个，优选为3-4个。在本发明中，2个识别单元得到的数据的准确性较差，因此限定3-10个识别单元，同时，如果识别单元大于10个也可以得到较好的数据，但是在制备过程中较繁琐，增加了制备成本。
在本发明中，所述多组重复排列的阵列单元的组数为2-15组，优选为4-8组。在本发明中，1组阵列单元得到的数据的准确性较差，因此限定2-15组阵列单元，同时，如果阵列单元大于15个也可以得到较好的数据，但是在制备过程中较繁琐，增加了制备成本。
举例：识别单元为3个(第一识别单元S1、第二识别单元S2和第三识别单元S3)，重复排列的阵列单元为8组(第一阵列单元Z1、第二阵列单元Z2、第三阵列单元Z3、第四阵列单元Z4、第五阵列单元Z5、第六阵列单元Z6、第七阵列单元Z7和第八阵列单元Z8)，传感器阵列芯片的示意图如图1或图2所示。
其中，每个阵列单元示意图如图3所示，在第一识别单元S1中，荧光指示剂为吖啶橙(荧光峰的波长为535nm)，则第一识别单元的光子晶体的光子禁带位置的波长为540nm(例如，光子晶体为聚苯乙烯小球，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为540nm所对应的粒径为200nm)；在第二识别单元S2中，荧光指示剂为罗丹明6G(荧光峰的波长为570nm)，则第二识别单元的光子晶体的光子禁带位置的波长为575nm(聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为575nm所对应的粒径为230nm)；在第三识别单元S3中，荧光指示剂为罗丹明B(荧光峰的波长为605nm)，则第三识别单元的光子晶体的光子禁带位置的波长为610nm(聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为610nm所对应的粒径为250nm)。每个所述识别单元包含光子晶体形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和荧光指示剂。也即第一识别单元S1包含粒径为200nm聚苯乙烯小球形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和吖啶橙荧光指示剂；第二识别单元S2包含粒径为230nm聚苯乙烯小球形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和罗丹明6G荧光指示剂；第三识别单元S3包含粒径为250nm聚苯乙烯小球形成的信号处理层，以及在信号处理层表面形成的识别层，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和罗丹明B荧光指示剂。
其中，每个所述阵列单元中不同的识别单元之间，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，且各识别单元所含有的荧光指示剂不同。
其中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配。
在本发明中，所述荧光指示剂4选自罗丹明B、罗丹明6G、吖啶橙、荧光素钠、噻唑橙、荧光蛋白、碳点、罗丹明123、酸性橙或甲基蓝。
在本发明中，所述光子晶体以能够选择性地放大荧光分子释放的信号为目的，所述光子晶体可以为但不限于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)或二氧化硅。
在本发明中，所述基底的材质可以为但不限于：透明聚苯乙烯、透明玻璃或透明聚碳酸酯。
在本发明中，所示基底可以为但不限于：384孔板、载玻片等。
本发明第二方面提供了上述的传感器阵列芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)将光子晶体水溶液在基底1表面进行自组装，形成信号处理层2；
(b)将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；
(c)将荧光指示剂4加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层3，形成一个识别单元；
(d)重复步骤(a)-(c)，形成多个相互不同的识别单元，
其中，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，和所含有的荧光指示剂不同，得到一组阵列单元；
其中，在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配；
(e)重复步骤(a)-(d)，在所述基底表面上形成多组重复排列的阵列单元，得到传感器阵列芯片。
根据本发明的方法，所述多个识别单元的个数为3-10个，优选为3-4个。
根据本发明的方法，所述多组重复排列的阵列单元的组数为2-15组，优选为4-8组。
举例：识别单元为3个(第一识别单元S1、第二识别单元S2和第三识别单元S3)，重复排列的阵列单元为8组(第一阵列单元Z1、第二阵列单元Z2、第三阵列单元Z3、第四阵列单元Z4、第五阵列单元Z5、第六阵列单元Z6、第七阵列单元Z7和第八阵列单元Z8)，传感器阵列芯片的制备方法如下：
(1)将粒径为200nm的聚苯乙烯小球水溶液在基底1表面进行自组装(吖啶橙的荧光峰的波长为535nm，光子禁带位置的波长为540nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为535nm的吖啶橙相匹配，聚苯乙烯小球的禁带的波长为540nm所对应的粒径为200nm)，形成信号处理层2；将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将吖啶橙荧光指示剂加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层3，形成第一识别单元S1；
(2)将粒径为230nm的聚苯乙烯小球水溶液在所述基底1表面进行自组装(罗丹明6G的荧光峰的波长为570nm，光子禁带位置的波长为575nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为570nm的罗丹明6G相匹配，聚苯乙烯小球的禁带的波长为575nm所对应的粒径为230nm)，形成信号处理层2；将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将罗丹明6G荧光指示剂加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层3，形成第二识别单元S2；
(3)将粒径为250nm的聚苯乙烯小球水溶液在所述基底1表面进行自组装(罗丹明B的荧光峰的波长为605nm，光子禁带位置的波长为610nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为605nm的罗丹明B相匹配，聚苯乙烯小球的禁带的波长为610nm所对应的粒径为250nm)，形成信号处理层2；将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将罗丹明B荧光指示剂加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层3，形成第三识别单元S3；
即，在同一基底表面上形成3个相互不同的识别单元，得到第一阵列单元Z1，其中，在每个识别单元中，所述光子晶体(聚苯乙烯小球)的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配；
(4)重复步骤(1)-(3)，在所述基底表面上形成8组重复排列的阵列单元(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8)，得到传感器阵列芯片，如图1或图2所示。
根据本发明的方法，所述光子晶体以能够选择性地放大荧光分子释放的信号为目的，所述光子晶体可以为但不限于聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)或二氧化硅。
根据本发明的方法，所述光子晶体水溶液中，所述光子晶体的浓度为1.5-5重量％。在本浓度范围内，光子晶体具有较好的放大效果，检测效果佳。
根据本发明的方法，所述自组装可以在载玻片表面或透明多孔板中进行，但不限于此。其中，透明多孔板可以为本领域常规的384孔板或96孔板等。
根据本发明的方法，所述自组装的条件以光子晶体形成的信号处理层为目的，所述自组装的条件可以包括但不限于：温度为60-80℃，湿度为60％-80％，时间为18-30h。
根据本发明的方法，在步骤(b)中，所述氧化石墨烯水溶液中，所述氧化石墨烯的浓度可以为但不限于：2-8mg/mL，该浓度范围的氧化石墨烯水溶液有利于形成三维结构的气溶胶状态。
根据本发明的方法，所述第一冷冻干燥的条件可以包括但不限于：温度为-20℃至-10℃，干燥的时间为4-6h。
根据本发明的方法，在步骤(c)中，所述荧光指示剂4选自罗丹明B、罗丹明6G、吖啶橙、荧光素钠、噻唑橙、荧光蛋白、碳点、罗丹明123、酸性橙或甲基蓝。
根据本发明的方法，在步骤(c)中，所述加入的方式为点蘸法，也即将荧光指示剂点蘸到所述形成有氧化石墨烯的结构中。
根据本发明的方法，所述第二冷冻干燥的条件可以包括但不限于：温度为-20℃至-10℃，干燥的时间为4-6h。
本发明第三方面提供了上述的传感器阵列芯片在检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质中的应用。
在本发明中，所述生物胺可以包括但不限于：苯乙胺、多巴胺、组胺、去甲肾上腺素、羟色胺、酪胺、肾上腺素、亚精胺和精胺中的一种或多种；
在本发明中，所述药物胺可以包括但不限于：磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦和伯氨喹中的一种或多种。
例如，一种检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质的方法，该方法包括：检测标准溶液(未放入待测物)的荧光强度，将含有生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质待测物加入上述的传感器阵列芯片中，并检测加入待测物后的荧光强度，通过线性差别分析和/或多级分组分析方法，分析加入待测物前后的荧光强度变化，检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述。
在以下实施例中，
聚苯乙烯小球购自南京东纳生物科技有限公司，货号为PSJ00200；
二氧化硅小球购自南京彩纳生物科技有限公司，产品编号为MS-02-102；
氧化石墨烯购自上海阿拉丁生化科技有限公司，CAS号为7782-42-5；
罗丹明B购自北京百灵威科技有限公司，分析纯；
罗丹明6G购自北京百灵威科技有限公司，分析纯；
吖啶橙购自国药集团化学试剂北京有限公司，分析纯；
荧光素钠购自北京百灵威科技有限公司，分析纯；
标准生理缓冲溶液购自赛默飞世尔中国公司，货号为10010049，pH值为7.4；
标准尿样购自东莞市信恒科技有限公司公司，产品型号为XH-001，pH值为5.1；
透明多孔板(384孔板作为基底，材质为透明聚苯乙烯)购自美国康宁公司，型号为3764；
多通道凝胶分析系统购自北京智创科技有限公司公司，型号为ChampChemiProfessional+Image Station。
实施例1
(1)将800μL粒径为200nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为3重量％，吖啶橙的荧光峰的波长为535nm，光子禁带位置的波长为540nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为535nm的吖啶橙相匹配，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为540nm所对应的粒径为200nm)加入384孔板1的第一列(即每个孔加入50μL)，在温度为70℃、湿度为70％条件下自组装24h，形成信号处理层2；将480μL的5mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面(即每个孔加入30μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL吖啶橙荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中(即每个孔加入100μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到识别层3，形成第一识别单元S1；
(2)将800μL粒径为230nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为3重量％，罗丹明6G的荧光峰的波长为570nm，光子禁带位置的波长为575nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为570nm的罗丹明6G相匹配，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为575nm所对应的粒径为230nm)加入384孔板1的第二列(即每个孔加入50μL)，在温度为70℃、湿度为70％条件下自组装24h，形成信号处理层2；将480μL的5mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面(即每个孔加入30μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明6G荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中(即每个孔加入100μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到识别层3，形成第二识别单元S2；
(3)将800μL粒径为250nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为3重量％，罗丹明B的荧光峰的波长为605nm，光子禁带位置的波长为610nm的聚苯乙烯小球与荧光峰的波长为605nm的罗丹明B相匹配，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为610nm所对应的粒径为250nm)加入384孔板1的第三列(即每个孔加入50μL)，在温度为70℃、湿度为70％条件下自组装24h，形成信号处理层2；将480μL的5mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面(即每个孔加入30μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明B荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中(即每个孔加入100μL)，并在-20℃下冷冻干燥5h，得到识别层3，形成第三识别单元S3；
第一识别单元S1、第二识别单元S2和第三识别单元S3形成第一阵列单元Z1；
(4)重复步骤(1)-(3)，在384孔板上形成8组重复排列的阵列单元(Z1、Z2、Z3、Z4、Z5、Z6、Z7和Z8)，得到传感器阵列芯片，如1所示。
实施例2
(1)将800μL粒径为200nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为1.5重量％)加入384孔板的第一列，在温度为80℃、湿度为60％条件下自组装18h，形成信号处理层；将480μL的2mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL吖啶橙荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到识别层，形成第一识别单元；
(2)将800μL粒径为230nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为1.5重量％)加入384孔板的第二列，在温度为80℃、湿度为60％条件下自组装18h，形成信号处理层；将480μL的2mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明6G荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到识别层，形成第二识别单元；
(3)将800μL粒径为250nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为1.5重量％)加入384孔板的第三列，在温度为80℃、湿度为60％条件下自组装18h，形成信号处理层；将480μL的2mg/mL的氧化石墨烯水溶液到所述信号处理层的表面，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明B荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到识别层，形成第三识别单元；
第一识别单元、第二识别单元和第三识别单元形成一组阵列单元；
(4)重复步骤(1)-(3)，在384孔板上形成8组重复排列的阵列单元，得到传感器阵列芯片，如1所示。
实施例3
(1)将800μL粒径为200nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为5重量％)加入384孔板的第一列，在温度为60℃、湿度为80％条件下自组装30h，形成信号处理层；将480μL的8mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL吖啶橙荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到识别层，形成第一识别单元；
(2)将800μL粒径为230nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为5重量％)加入384孔板的第二列，在温度为60℃、湿度为80％条件下自组装30h，形成信号处理层；将480μL的8mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明6G荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到识别层，形成第二识别单元；
(3)将800μL粒径为250nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为5重量％)加入384孔板的第三列，在温度为60℃、湿度为80％条件下自组装30h，形成信号处理层；将480μL的8mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL罗丹明B荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到识别层，形成第三识别单元；
(4)将800μL粒径为210nm的聚苯乙烯小球水溶液(聚苯乙烯小球水溶液中，聚苯乙烯小球的浓度为5重量％，荧光素钠的荧光峰的波长为510nm，聚苯乙烯小球的光子禁带位置的波长为520nm所对应的粒径为210nm)加入384孔板的第四列，在温度为60℃、湿度为80％条件下自组装30h，形成信号处理层；将480μL的8mg/mL的氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层的表面，并在-15℃下冷冻干燥4h，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；将1600μL荧光素钠荧光指示剂点蘸到所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并在-10℃下冷冻干燥6h，得到识别层，形成第四识别单元；
第一识别单元、第二识别单元、第三识别单元和第四识别单元形成一组阵列单元；
(5)重复步骤(1)-(4)，在384孔板上形成6组重复排列的阵列单元，得到传感器阵列芯片。
实施例4
按照实施例1的方法，不同的是，将聚苯乙烯小球水溶液替换为二氧化硅小球水溶液，并将384透明多孔板替换为载玻片，将光子晶体自组装为一整列的自组装结构，如图2所述。
对比例1
按照实施例1的方法，不同的是，仅使用两种荧光指示剂，罗丹明B和罗丹明6G。
对比例2
按照实施例1的方法，不同的是，不使用氧化石墨烯。
对比例3
按照实施例1的方法，不同的是，不使用光子晶体(即不使用聚苯乙烯小球)。
测试例1-1
将0.1mol生物胺溶解在100mL的标准生理缓冲溶液中，得到浓度为1mol/L待测样品，其中，生物胺为苯乙胺(PEA)、多巴胺(DA)、组胺(HA)、去甲肾上腺素(NP)、羟色胺(5-HT)、酪胺(TA)、肾上腺素(EB)、亚精胺(SID)、精胺(SI)。在实施例1制备得到的传感器阵列芯片的每个孔内加入100μL待测样品。
在紫外光(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。计算传感器阵列芯片在加入待测样品前后荧光的变化差值，将传感器阵列芯片对各种底物的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。
通过线性差别分析法对生物胺的识别检测，重复6次，将结果叠加查看，检测结果图如图4所示，从图4能够看出，苯乙胺(PEA)、多巴胺(DA)、组胺(HA)、去甲肾上腺素(NP)、羟色胺(5-HT)、酪胺(TA)、肾上腺素(EB)、亚精胺(SID)、精胺(SI)均被识别，而且将6次结果叠加查看，每种物质均在同一区域，说明检测结果的准确性和重现性较高。图中F1，F2，F3代表通过LDA数据处理后所得到的降维后的数据(第一成分，第二成分，第三成分)能够代表原数据的百分比。
通过多级分组分析法对生物胺的识别检测结果图如图5所示，从图5能够看出苯乙胺(PEA)、多巴胺(DA)、组胺(HA)、去甲肾上腺素(NP)、羟色胺(5-HT)、酪胺(TA)、肾上腺素(EB)、亚精胺(SID)、精胺(SI)的化学相似性。
测试例1-2至1-4
按照测试例1-1的方法，不同的是，使用实施例2-4制备得到的传感器阵列芯片，结果与图4和图5类似。
对比测试例1-1
按照测试例1-1的方法，不同的是，使用对比例1制备得到的传感器阵列芯片。通过线性差别分析法对生物胺的识别检测，9种生物胺团聚，未能完全分开，因此仅使用两种荧光指示剂制备的传感器阵列芯片无法实现对生物胺的完全辨别，准确性和重现性较差。
对比例测试例1-2
按照测试例1-1的方法，不同的是，使用对比例2制备得到的传感器阵列芯片。该传感器阵列芯片无法检测。
对比例测试例1-3
按照测试例1-1的方法，不同的是，使用对比例3制备得到的传感器阵列芯片，通过线性差别分析法对生物胺的识别检测，结果图如图6所示，从图6能够看出，9种生物胺团聚，未能完全分开，因此不使用光子晶体的传感器阵列芯片无法实现对生物胺的完全辨别，准确性和重现性较差。
测试例2-1
将0.1mol药物胺溶解在100mL的标准尿样中，得到浓度为1mol/L待测样品，其中，药物胺为磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦、伯氨喹。在实施例1制备得到的传感器阵列芯片的每个孔内加入100μL待测样品。
在紫外光(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。计算传感器阵列芯片在加入待测样品前后荧光的变化差值，将传感器阵列芯片对各种底物的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。
通过线性差别分析法对药物胺的识别检测，重复6次，将结果叠加查看，检测结果图如图7所示，从图7能够看出，磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦、伯氨喹均被识别，而且将6次结果叠加查看，每种物质均在同一区域，再次证明检测结果的准确性和重现性较高。
通过多级分组分析法对药物胺的识别检测结果图如图8所示，从图8能够看出磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦、伯氨喹的化学相似性。
测试例2-2至2-4
按照测试例2-1的方法，不同的是，使用实施例2-4制备得到的传感器阵列芯片，结果与图6和图7类似。
对比测试例2-1
按照测试例2-1的方法，不同的是，使用对比例1制备得到的传感器阵列芯片。通过线性差别分析法对药物胺的识别检测，7种药物胺团聚，未能完全分开，因此仅使用两种荧光指示剂制备的传感器阵列芯片无法实现对药物胺的完全辨别，准确性和重现性较差。
对比例测试例2-2
按照测试例2-1的方法，不同的是，使用对比例2制备得到的传感器阵列芯片。该传感器阵列芯片无法检测。
对比例测试例2-3
按照测试例2-1的方法，不同的是，使用对比例3制备得到的传感器阵列芯片，通过线性差别分析法对药物胺的识别检测，7种药物胺团聚，未能完全分开，因此不使用光子晶体的传感器阵列芯片无法实现对药物胺的完全辨别，准确性和重现性较差。
测试例3-1
将0.1mol氨基酸溶解在100mL的标准生理缓冲溶液中，得到浓度为1mol/L待测样品，其中，氨基酸为丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、组氨酸(His)。在实施例1制备得到的传感器阵列芯片的每个孔内加入100μL待测样品。
在紫外光(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。计算传感器阵列芯片在加入待测样品前后荧光的变化差值，将传感器阵列芯片对各种底物的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。
通过线性差别分析法对氨基酸的识别检测，重复6次，将结果叠加查看，丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、组氨酸(His)均被识别，而且将6次结果叠加查看，每种物质均在同一区域，再次证明检测结果的准确性和重现性较高。
通过多级分组分析法对氨基酸的识别检测，得到丙氨酸(Ala)、脯氨酸(Pro)、色氨酸(Trp)、苯丙氨酸(Phe)、酪氨酸(Tyr)、组氨酸(His)的化学相似性。
测试例3-2至3-4
按照测试例3-1的方法，不同的是，使用实施例2-4制备得到的传感器阵列芯片，结果与测试例3-1类似。
对比测试例3-1
按照测试例3-1的方法，不同的是，使用对比例1制备得到的传感器阵列芯片。通过线性差别分析法对氨基酸的识别检测，6种氨基酸团聚，未能完全分开，因此仅使用两种荧光指示剂制备的传感器阵列芯片无法实现对氨基酸的完全辨别，准确性和重现性较差。
对比例测试例3-2
按照测试例3-1的方法，不同的是，使用对比例2制备得到的传感器阵列芯片。该传感器阵列芯片无法检测。
对比例测试例3-3
按照测试例3-1的方法，不同的是，使用对比例3制备得到的传感器阵列芯片，通过线性差别分析法对氨基酸的识别检测，6种氨基酸团聚，未能完全分开，因此不使用光子晶体的传感器阵列芯片无法实现对氨基酸的完全辨别，准确性和重现性较差。
测试例4-1
将0.1mol蛋白质溶解在100mL的标准生理缓冲溶液中，得到浓度为1mol/L待测样品，其中，蛋白质为细胞色素C，血红蛋白，人血清蛋白，溶解酵素，转铁蛋白，卵清蛋白，肌红蛋白。在实施例1制备得到的传感器阵列芯片的每个孔内加入100μL待测样品。
在紫外光(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。计算传感器阵列芯片在加入待测样品前后荧光的变化差值，将传感器阵列芯片对各种底物的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。
通过线性差别分析法对蛋白质的识别检测，重复6次，将结果叠加查看，细胞色素C，血红蛋白，人血清蛋白，溶解酵素，转铁蛋白，卵清蛋白，肌红蛋白均被识别，而且将6次结果叠加查看，每种物质均在同一区域，再次证明检测结果的准确性和重现性较高。
通过多级分组分析法对蛋白质的识别检测，得到细胞色素C，血红蛋白，人血清蛋白，溶解酵素，转铁蛋白，卵清蛋白，肌红蛋白的化学相似性。
测试例4-2至4-4
按照测试例4-1的方法，不同的是，使用实施例2-4制备得到的传感器阵列芯片，结果与测试例4-1类似。
对比测试例4-1
按照测试例4-1的方法，不同的是，使用对比例1制备得到的传感器阵列芯片。通过线性差别分析法对蛋白质的识别检测，7种蛋白质团聚，未能完全分开，因此仅使用两种荧光指示剂制备的传感器阵列芯片无法实现对蛋白质的完全辨别，准确性和重现性较差。
对比例测试例4-2
按照测试例4-1的方法，不同的是，使用对比例2制备得到的传感器阵列芯片，无法检测。
对比例测试例4-3
按照测试例4-1的方法，不同的是，使用对比例3制备得到的传感器阵列芯片，通过线性差别分析法对蛋白质的识别检测，7种蛋白质团聚，未能完全分开，因此不使用光子晶体的传感器阵列芯片无法实现对蛋白质的完全辨别，准确性和重现性较差。
通过测试例和对比测试例可以看出，本发明的传感器阵列芯片，通过线性差别分析与多级分组分析方法，能够实现对生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质的检测与识别，实现了通用多底物的高效分析辨别，重复6次的结果准确性和重现性高。而未采用本发明的方法制备的传感器阵列芯片(对比例1仅使用两种荧光指示剂，对比例3不使用光子晶体制备的传感器阵列芯片)无法实现对生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质的完全辨别，重复6次的结果准确性和重现性均较差。此外，对比例2不使用氧化石墨烯制备的传感器阵列芯片无法检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (24)

1.一种传感器阵列芯片，其特征在于，该传感器阵列芯片包含基底(1)，以及在基底表面形成的多组重复排列的阵列单元，每个所述阵列单元包含多个相互不同的识别单元，其中，每个所述识别单元包含光子晶体形成的信号处理层(2)，以及在信号处理层表面形成的识别层(3)，其中，所述识别层含有氧化石墨烯和荧光指示剂(4)；
其中，每个所述阵列单元中不同的识别单元之间，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，且各识别单元所含有的荧光指示剂不同；
在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配。
2.根据权利要求1所述的传感器阵列芯片，其中，所述多个识别单元的个数为3-10个。
3.根据权利要求2所述的传感器阵列芯片，其中，所述多个识别单元的个数为3-4个。
4.根据权利要求1所述的传感器阵列芯片，其中，所述多组重复排列的阵列单元的组数为2-15组。
5.根据权利要求4所述的传感器阵列芯片，其中，所述多组重复排列的阵列单元的组数为4-8组。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的传感器阵列芯片，其中，所述荧光指示剂选自罗丹明B、罗丹明6G、吖啶橙、荧光素钠、噻唑橙、荧光蛋白、碳点、罗丹明123、酸性橙或甲基蓝。
7.根据权利要求1-5中任意一项所述的传感器阵列芯片，其中，所述光子晶体为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)或二氧化硅。
8.根据权利要求1-5中任意一项所述的传感器阵列芯片，其中，所述基底的材质为透明聚苯乙烯、透明玻璃或透明聚碳酸酯。
9.权利要求1-8中任意一项所述的传感器阵列芯片的制备方法，该方法包括以下步骤：
(a)将光子晶体水溶液在基底(1)表面进行自组装，形成信号处理层(2)；
(b)将氧化石墨烯水溶液加到所述信号处理层表面，并进行第一冷冻干燥，得到具有多孔结构的氧化石墨烯层；
(c)将荧光指示剂(4)加入所述氧化石墨烯层的多孔结构中，并进行第二冷冻干燥，得到识别层(3)，形成一个识别单元；
(d)重复步骤(a)-(c)，形成多个相互不同的识别单元，
其中，各识别单元所含有的光子晶体的光子禁带位置不同，和所含有的荧光指示剂不同，得到一组阵列单元；
其中，在每个识别单元中，所述光子晶体的光子禁带位置的波长与所述荧光指示剂的荧光峰的波长相匹配；
(e)重复步骤(a)-(d)，在所述基底表面上形成多组重复排列的阵列单元，得到传感器阵列芯片。
10.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多个识别单元的个数为3-10个。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述多个识别单元的个数为3-4个。
12.根据权利要求9所述的方法，其中，所述多组重复排列的阵列单元的组数为2-15组。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述多组重复排列的阵列单元的组数为4-8组。
14.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤(a)中，所述光子晶体为聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚(苯乙烯-甲基丙烯酸甲酯-丙烯酸)或二氧化硅。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述光子晶体水溶液中，所述光子晶体的浓度为1.5-5重量％。
16.根据权利要求9所述的方法，其中，所述自组装在载玻片表面或透明多孔板中进行。
17.根据权利要求9所述的方法，其中，所述自组装的条件包括：温度为60-80℃，湿度为60％-80％，时间为18-30h。
18.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤(b)中，所述氧化石墨烯水溶液中，所述氧化石墨烯的浓度为2-8mg/mL。
19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述第一冷冻干燥的条件包括：温度为-20℃至-10℃，干燥的时间为4-6h。
20.根据权利要求9所述的方法，其中，在步骤(c)中，所述荧光指示剂选自罗丹明B、罗丹明6G、吖啶橙、荧光素钠、噻唑橙、荧光蛋白、碳点、罗丹明123、酸性橙或甲基蓝。
21.根据权利要求20所述的方法，其中，所述第二冷冻干燥的条件包括：温度为-20℃至-10℃，干燥的时间为4-6h。
22.权利要求1-8中任意一项所述的传感器阵列芯片在检测生物胺、药物胺、氨基酸或蛋白质中的应用。
23.根据权利要求22所述的应用，其中，所述生物胺包括苯乙胺、多巴胺、组胺、去甲肾上腺素、羟色胺、酪胺、肾上腺素、亚精胺和精胺中的一种或多种。
24.根据权利要求22所述的应用，其中，所述药物胺包括磺胺甲恶唑、氨苄西林、头孢塞利、头孢氨苄、氟康唑、阿昔洛韦和伯氨喹中的一种或多种。
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