CN109856391B

CN109856391B - 一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法

Info

Publication number: CN109856391B
Application number: CN201910149641.6A
Authority: CN
Inventors: 徐海华; 江杰; 唐铃怡
Original assignee: Shenzhen University
Current assignee: Shenzhen University
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2022-05-27
Anticipated expiration: 2039-02-28
Also published as: CN109856391A

Abstract

本发明公开了一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法。其中，所述免疫检测芯片包括一衬底以及有源层，还包括一覆盖在所述有源层上方的离子凝胶；所述离子凝胶为凹槽结构，其内表面镶嵌有与离子凝胶相结合并用于固定抗体的金纳米颗粒。既能在有源层和离子凝胶之间形成双电层结构，又能保护有源层不受化学发光免疫试剂的影响，保证了有机发光晶体的免疫检测芯片在重复利用时数据的精确性。并且本发明所述免疫检测芯片结构及其制备工艺简单易实现，具有极高的实用性和经济价值。

Description

一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物免疫检测模块，尤其涉及一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法。

背景技术

化学发光免疫分析法是一种高灵敏度的免疫检测方法，并广泛应用于全自动免疫分析仪器中。传统的基于化学发光免疫法的仪器价格昂贵，操作复杂，并且体积庞大，只适用于医院、检验单位等大型机构等。

POCT（point-of-care testing，即时检验）是一种新兴的体外诊断细分行业，POCT仪器体积小，价格低，操作简单，可在现场快速、即时得到检验分析结果，不需要在专业实验室进行复杂处理、分析。基于化学发光免疫分析的POCT仪器的关键部件是光电传感器芯片，其制备工艺复杂，成本高昂，并且很难与化学发光免疫分析系统中进样、反应系统集成。

现有的基于电解质门控的光电晶体管能解决仪器价格昂贵，体积庞大等技术问题，但在用于化学发光免疫检测时，其免疫发光试剂一般是直接与芯片的有源层接触，在化学发光免疫反应结束后，会在芯片表面残留化学发光免疫试剂，重复利用时会带来数据的误差。

因此，现有技术还有待发展。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法，旨在解决现有技术中光电传感器芯片工艺复杂、成本高昂、难以集成，以及现有技术中光电晶体管免疫检测芯片中有源层容易受化学发光免疫试剂影响的问题。

本发明的技术方案包括：

一种基于有机光晶体的免疫检测芯片，所述免疫检测芯片包括一衬底，所述衬底的上表面设置栅极、源极和漏极，在所述源极和漏极上涂覆有源层，其中，所述免疫检测芯片还包括一覆盖在所述有源层上方的离子凝胶；所述离子凝胶为凹槽结构，其内表面镶嵌有与离子凝胶相结合并用于固定抗体的金纳米颗粒。

所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其中，所述源极和漏极呈叉指型结构，构成有机光晶体的导电沟道；其中，所述导电沟道的长度≤10微米，所述导电沟道的宽度＞1厘米。

所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其中，所述栅极与导电沟道之间的距离≤0.1 毫米。

所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其中，所述离子凝胶由质量比为1:4:7的聚乙二醇二丙烯酸酯、 1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所制备而成。

所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其中，所述有源层用纳米尺寸的硫化锌（即ZnS）量子点修饰。

一种免疫检测装置，其包括如上述任一权利要求所述的免疫检测芯片。

一种如上所述免疫检测芯片的制备方法，其包括以下步骤：

A、通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底上制备栅极、源极和漏极；

B、通过溶液成膜法在所述源极和漏极上制备有源层；

C、在有源层上制备凹槽结构的离子凝胶，并在离子凝胶上包被金纳米颗粒，制得所述免疫检测芯片。

所述免疫检测芯片的制备方法，其中，所述步骤A具体包括：

A1、通过光刻工艺在衬底上形成栅极、源极和漏极的光刻胶图形；其中，源极和漏极呈叉指型结构，构成有机光晶体的导电沟道；所述导电沟道的长度≤10微米，宽度＞1厘米；

A2、通过热蒸镀工艺在衬底上蒸镀厚度为≤10纳米的金属粘附层，再蒸镀厚度为90-110纳米的金薄膜，形成金属薄膜层；

A3、将粘附有金属薄膜层的衬底浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得免疫检测芯片的栅极、源极及漏极。

所述免疫检测芯片的制备方法，其中，所述步骤B具体包括：

B1、将有源层材料溶解后均匀涂甩在设置有源极和漏极的衬底上，形成异质结薄膜；其中，所述有源层材料包括P型和N型半导体材料；P型半导体材料为P3HT(poly(3-hexylthiophene))；N型半导体材料为PC₆₁BM(1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C(61))；

B2、将上述衬底进行加热，并擦去除源极和漏极外的其它异质结薄膜，保留源极和漏极上方的异质结薄膜，制得有源层。

所述免疫检测芯片的制备方法，其中，所述步骤C具体包括：

C1、通过刻蚀工艺制备离子凝胶模具，并向离子凝胶模具中浇筑离子凝胶溶液，制得凹槽结构的离子凝胶；其中所述离子凝胶溶液由质量比为1:4:7聚乙二醇二丙烯酸酯、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所混合而成；

C2、向凹槽结构的离子凝胶中加入金纳米颗粒，静置，之后加入包被抗体试剂，最后制得金纳米颗粒上包被抗体的离子凝胶，将离子凝胶覆盖在所述有源层上方，制得所述免疫检测芯片，其中所述包被抗体试剂可以为beyotime公司生产的辣根过氧化物酶标记山羊抗小鼠IgG试剂。

有益效果：本发明通过在免疫检测芯片的有源层上方设置一凹槽结构的离子凝胶，其充当有源层的保护层，既能在有源层和离子凝胶之间形成双电层结构，又能保护有源层不受化学发光免疫试剂的影响，保证了有机发光晶体的免疫检测芯片在重复利用时数据的精确性。并且本发明所述免疫检测芯片结构及其制备工艺简单易实现，具有极高的实用性和经济价值。

附图说明

图1为本发明所述免疫检测芯片的结构示意图。

图2为本发明所述免疫检测芯片在测试时的FET曲线。

图3为本发明所述免疫检测芯片中离子凝胶的封装过程。

具体实施方式

本发明提供一种基于有机光晶体的免疫检测芯片、装置及其制备方法。

如图1所示，所述免疫检测芯片包括一衬底4，所述衬底4的上表面设置栅极6、源极3和漏极5，在所述源极3和漏极5上涂覆有源层2。所述免疫检测芯片还包括一覆盖在所述有源层2上方的离子凝胶1；所述离子凝胶1为凹槽结构，其内表面镶嵌有与离子凝胶相结合并用于固定抗体的金纳米颗粒。进一步说明的是，本发明所述免疫检测芯片是指能够包被抗体的电解质门控有机光晶体管的免疫检测芯片。

上述实验制备出一种具有离子导电性的固态混合物，通常是由高分子有机聚合物和可电解为离子的盐类电解质材料混合而成，因其聚合物分子链互相连接或缠绕，形成空间网状结构，结构空隙中充满了作为分散介质的阴阳离子，与传统凝胶的结构相似，因而称其为“离子凝胶”。优选的，本发明所述离子凝胶由质量比为1:4:7的聚乙二醇二丙烯酸酯、1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所制备而成，并且所制备出的离子凝胶气表面带有用于固定抗体的金纳米颗粒。

本发明中，所述离子凝胶充当有源层的保护层，既能在有源层和离子凝胶之间形成双电层结构，又能保护有源层不受化学发光免疫试剂的影响，保证了所述免疫检测芯片在重复利用时数据的精确度。所述离子凝胶的应完全覆盖在有源层上方，优选实施例中，所述有源层为矩形结构，而所述离子凝胶为设置有凹槽的矩形结构。所述离子凝胶通过倒扣在模具上而成膜，其还可以为圆柱体体型、倒金字塔型、半球体型等具凹槽的结构。

进一步地，实施例中所述有源层为P型和N型半导体材料共混得到的体异质结薄膜，由于体异质结薄膜能够有效吸收较宽波长范围的光谱，并产出光生激子，异质结的能带差异可将激子有效分离成自由电子和空穴。

更进一步地，本发明所述有源层中的P型半导体材料可为PCDTBT（全称为：poly[N-900-hepta-decanyl-2,7-carbazole-alt-5,5-(40,70-di-2-thienyl-20,10,30-benzothiadiazole)])、PTB7(即：poly(thieno[3,4‐b]‐thiophene/benzodithiophene))或P3HT(即：poly(3-hexylthiophene))等有机聚合物材料，其电荷输运以空穴载流子为主导，且空穴载流子的迁移率较高。P型半导体的吸光在长波长范围，典型值为500nm~ 900nm；所述N型半导体材料为PC₆₁BM(即：1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C(61))

、PC₇₁BM(即：1-(3-methoxycarbonyl)propyl-1-phenyl[6,6]C(71))或C60等富勒烯材料，或者为PbS（即硫化铅）、HgTe（即碲化汞）等量子点材料，其电荷输运以电子载流子为主导，且电子载流子的迁移率较低。借助于电子和空穴在两种半导体材料中迁移率的巨大差异，从而实现光电流强大的倍增，获得超高光电灵敏度的光电传感器。上述具有不同吸收波长的P型和N型半导体材料能够与化学发光的光波长相匹配。优选地，所述有源层用量子点进行修饰，量子点修饰可以扩大芯片的吸收光谱，降低暗电流，尤其是采用ZnS量子点进行修饰，其光谱吸收峰在520nm，具体修饰方法为直接在芯片的漏极电极上旋涂上一层纳米尺寸的ZnS量子点试剂。

如图1所示，本实施例中所述免疫检测芯片的源极和漏极呈叉指型结构，构成有机光晶体的导电沟道。其中，所述导电沟道的长度≤10微米，所述导电沟道的宽度＞1厘米。而所述栅极与导电沟道之间的距离≤0.1 毫米。比以往设计的芯片增加了总的导电沟道长度，增加了芯片整体的宽长比，在相同的载流子迁移率下会增大芯片的源漏电流，达到增大芯片的响应度。

另外，本发明还提供一种免疫检测装置，其包括如上所述的免疫检测芯片。本发明所述免疫检测装置结构简单易实现，其不仅能在现场快速、即时得到检验分析结果，不需要在专业实验室进行复杂处理、分析；又能保护有源层不受化学发光免疫试剂的影响，保证了免疫检测芯片在重复利用时数据的精确度。

下面对本发明所述免疫检测芯片的制备方法进行阐述，其具体包括以下步骤：A、通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底上制备栅极、源极和漏极；B、通过溶液成膜法在所述源极和漏极上制备有源层；C、在有源层上制备凹槽结构的离子凝胶，并在离子凝胶上包被金纳米颗粒，制得所述免疫检测芯片。

进一步地，所述步骤A具体包括：

步骤A1：通过光刻工艺在衬底上形成栅极、源极和漏极的光刻胶图形；其中，源极和漏极呈叉指型结构，构成有机光晶体的导电沟道；所述导电沟道的长度≤10微米，宽度＞1厘米。优选地，可以采用玻璃作为衬底，其作为上述免疫检测芯片的衬底，具有耐磨损、价格低廉等优点。

步骤A2：通过热蒸镀工艺在衬底上蒸镀厚度为≤10纳米的金属粘附层，再蒸镀厚度为90-110纳米的金薄膜，形成金属薄膜层。其中金属粘附层所采用的金属可以为铬或钛等，而所述金薄膜的厚度太大会造成成本高并且粘附度差。

步骤A3：将粘附有金属薄膜层的衬底浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得所述免疫检测芯片的栅极、源极及漏极。

进一步地，所述步骤B具体包括：

步骤B1：选择溶液成膜技术—甩胶法或喷墨打印法，将有源层材料溶解后均匀涂甩在设置有源极和漏极的衬底上，形成45-55纳米厚的异质结薄膜；其中，所述有源层材料包括P型和N型半导体材料，P型和N型材料首先溶解于二氯苯或氯仿等溶剂中并搅拌均匀，再通过滤膜进行过滤处理，排除溶液中无法溶解的大颗粒。

步骤B2：将上述衬底进行加热，并擦去除源极和漏极外的其它异质结薄膜，保留源极和漏极上方的异质结薄膜，制得有源层。

进一步地，如图3所示，所述步骤C为离子凝胶的制备工艺，其流程主要为制备光刻胶薄膜、紫外曝光、光刻胶显影、硅片刻蚀、浇灌离子凝胶薄膜以及离子凝胶薄膜的剥离。具体包括：

步骤C1：通过刻蚀工艺制备离子凝胶模具，并向离子凝胶模具中浇筑离子凝胶溶液，制得凹槽结构的离子凝胶；其中所述离子凝胶溶液由质量比为1:4:7的聚乙二醇二丙烯酸酯、 1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所混合而成。优选地，所述离子凝胶凹槽尺寸为：长1.5纳米、宽1纳米、深度1纳米，在此尺寸下离子凝胶凹槽可以牢固在有源层上方。

步骤C2：向凹槽结构的离子凝胶中加入金纳米颗粒，静置，再加入包被抗体试剂，制得在金纳米颗粒上包被抗体的离子凝胶，将离子凝胶覆盖在所述有源层上方，制得所述免疫检测芯片。

下面通过一具体实施例以及图3对本发明所述免疫检测芯片的制备方法进行阐述。

首先，制备有机光晶体： 1、通过光刻及真空热蒸镀工艺在衬底上制备栅极、源极和漏极；2、通过溶液成膜法在所述源极和漏极上制备有源层。

上述步骤1包括：（1）选用玻璃作为衬底，通过光刻工艺在该衬底上形成栅极、源极及漏极的光刻胶图形；（2）通过热蒸镀方法首先蒸镀金属钛粘附层，设置金属钛的厚度在为8纳米，之后蒸镀金薄膜，其金薄膜的厚度为100纳米，制得金属薄膜；（3）将粘附有金属薄膜的衬底整体浸泡于丙酮溶液中，并通过超声清洗机进行光刻胶的剥离，制得光晶体管的栅电极及源漏电极。

上述步骤2包括：（1）选择溶液成膜技术—甩胶法或喷墨打印法，以快速形成50 纳米的有源层。具体地，将P型和N型材料溶解于二氯苯溶剂中，其溶液浓度选择10 g/L，通过磁珠搅拌均匀，制得混合溶液，并通过滤膜进行过滤处理，以排除溶液中无法溶解的大颗粒；（2）利用匀胶机在覆盖有源极、漏极及栅极的衬底上整体涂甩混合溶液。其中，匀胶机的前转速度设置为500 转/分钟，时间为5秒，将溶液在衬底上均匀铺开后，转速度设置为1200转/分钟，时间为60秒，使之能够形成约50纳米厚的异质结薄膜；（3）将涂甩有异质结薄膜的衬底放置于加热台，加热温度设置为145度，并加热20分钟左右，加热目的一为蒸发掉溶剂，使之能够形成固态薄膜，其二为了异质结排列更加规整，从而有益于电荷的传输；（4）将除了叉指型区域的异质结薄膜擦除掉，其中，栅极表面的有源层必须擦除干净，以避免栅极与源极导通而漏电严重现象。

其次，制备离子凝胶：1、在有机光晶体上制备凹槽结构的离子凝胶；2、在离子凝胶内表面固定金纳米颗粒然后固定包被抗体。

上述步骤1包括：（1）通过刻蚀工艺制备好所用的离子凝胶模具；（2）、将poly(全称：Vinglidene fluovide-co-hexa-fluoroproplene)溶于丙酮（丙酮的质量与ploy的质量比为7:1），加入小磁珠放在磁力搅拌台上搅拌1小时，再加入离子液体ionoc（离子液体ionoc质量与一开始称量的poly的质量比为4：1），放在磁力搅拌台上搅拌20分钟，制得离子凝胶；（3）、将上述搅拌后的离子凝胶倒入模具中，待其中气泡完全消失时，放入真空干燥箱中，调整真空干燥箱的温度为70℃，让离子凝胶在其中烘烤24小时，取出，得到凹槽长方体的离子凝胶。

上述步骤2包括：（1）向离子凝胶的凹槽内加入 50μL 金纳米颗粒溶液，在 37 ℃恒温箱中放置 2 h，再使用溶液清洗离子凝胶的凹槽三次；（2）、用碳酸盐缓冲液(简称CB)稀释 2000倍配置包被抗体试剂，并向离子凝胶的凹槽加入100μL，在4℃冰箱中放置18小时，拿出后室温放置5分钟，使用0.25%PBST洗液清洗(PBST即：PBS磷酸缓冲液+ Tween-20聚氧乙烯（20）山梨醇酐单月桂酸酯)两次，再加入5%BSA (BSA即：牛血清白蛋白)200μL，在37℃恒温箱放置2小时；（3）、从恒温箱取出后将试剂甩出，放入洁净工作台风干3分钟，再将PBS溶液与5%BSA溶液1:1混合，对抗原进行稀释，稀释倍数为1000，并向离子凝胶的凹槽加入50μL；（4）、使用5%BSA溶液对阻断剂、HRP(HPR即：辣根过氧化物酶) 试剂进行稀释，溶液中 HRP 被稀释 4000 倍，阻断剂由 5 mg/mL稀释为15μg/mL，向离子凝胶的凹槽加入50μL，在37 ℃恒温箱放置 1.5小时，制得在金纳米颗粒上包被抗体的离子凝胶凹槽。

最后，采用等离子清洗机对芯片的离子凝胶凹槽表面进行修饰处理，以便将其与有机光晶体管及包被有抗体的离子凝胶进行集成封装，制得本发明所述免疫检测芯片。本发明通过将基于有机光晶体的免疫检测芯片与离子凝胶模块进行高质量的集封接，从而大大提高了免疫检测集成芯片的实用性。其需要考虑多种因素：1、尽量减少光信号的传输损耗，从而有效提高被基于电解质门控有机光晶体管的吸收能力；2、对溶液无渗漏，减少化学反应对基于电解质门控有机光晶体管的影响；3、封装的粘附性好，防止长期使用过程中出现芯片脱落的问题。4、离子凝胶在包被抗体时保持清洁，否者会影响包被效果。

本发明采取化学发光免疫检测技术对所制备的免疫检测芯片进行测试。具体地，采用化学发光技术对特异性疾病蛋白质进行检测。如图2所示，其为本发明提供的一种基于有机光晶体的免疫检测芯片在FET测试中得到的数据，可以看到免疫检测芯片在较小的工作电压下有很大的开关比，免疫检测芯片的灵敏度可以达到10⁵左右，说明本发明所述免疫检测芯片的性能优良。

综上所述，本发明通过将有机光晶体与离子凝胶模块集成，并采用化学发光进行免疫蛋白检测，通过优化光电晶体的各种参数，达到降低光电传感器功耗及提高灵敏度的目的。本发明通过在免疫检测芯片的有源层上方设置一凹槽结构的离子凝胶，其充当有源层的保护层，既能在有源层和离子凝胶之间形成双电层结构，又能保护有源层不受化学发光免疫试剂的影响，保证了有机发光晶体的免疫检测芯片在重复利用时方便采集数据。并且本发明所述免疫检测芯片结构及其制备工艺简单易实现，具有极高的实用性和经济价值。

应当理解的是，上述针对具体实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本发明的专利保护范围应以所附权利要求为准。

Claims

1.一种基于有机光晶体的免疫检测芯片，所述免疫检测芯片包括一衬底，所述衬底的上表面设置栅极、源极和漏极，在所述源极和漏极上涂覆有源层，所述有源层为P型和N型半导体材料共混得到的体异质结薄膜，其特征在于，所述免疫检测芯片还包括一覆盖在所述有源层上方的离子凝胶；所述离子凝胶为凹槽结构，其内表面镶嵌有与离子凝胶相结合并用于固定抗体的金纳米颗粒，所述离子凝胶由聚乙二醇二丙烯酸酯、 1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所制备而成。

2.根据权利要求1所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其特征在于，所述源极和漏极呈叉指型结构，构成有机光晶体的导电沟道；其中，所述导电沟道的长度≤10微米，所述导电沟道的宽度＞1厘米。

3.根据权利要求2所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其特征在于，所述栅极与导电沟道之间的距离≤0.1 毫米。

4.根据权利要求1所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其特征在于，所述离子凝胶由质量比为1:4:7的聚乙二醇二丙烯酸酯、 1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所制备而成。

5.根据权利要求1所述基于有机光晶体的免疫检测芯片，其特征在于，所述有源层用硫化锌量子点修饰。

6.一种免疫检测装置，其特征在于，包括如权利要求1-5任一所述的免疫检测芯片。

7.一种如权利要求1-5任一项所述免疫检测芯片的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

B、通过溶液成膜法在所述源极和漏极上制备有源层；

8.根据权利要求7所述免疫检测芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤A具体包括：

9.根据权利要求7所述免疫检测芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤B具体包括：

B1、将有源层材料溶解后均匀涂甩在设置有源极和漏极的衬底上，形成异质结薄膜；其中，所述有源层材料包括P型 3-已基噻吩的聚合物和N型富勒烯衍生物半导体材料；

10.根据权利要求7所述免疫检测芯片的制备方法，其特征在于，所述步骤C具体包括：

C1、通过刻蚀工艺制备离子凝胶模具，并向离子凝胶模具中浇筑离子凝胶溶液，制得凹槽结构的离子凝胶；其中所述离子凝胶溶液由质量比为1:4:7的聚乙二醇二丙烯酸酯、 1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺以及2-羟基-2-甲基-1-苯基-1-丙酮所混合而成；

C2、向凹槽结构的离子凝胶中加入金纳米颗粒，静置，再加入辣根过氧化物酶标记山羊抗小鼠IgG试剂，制得在金纳米颗粒上包被抗体的离子凝胶，将离子凝胶覆盖在所述有源层上方，制得所述免疫检测芯片。