CN110231485B - 一种生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生物传感器及其制备方法，所述生物传感器包括基片和固化形成于基片上的环芯腔体，所述环芯腔体的材料为可吸附生物分子的增益介质材料，所述基片光学折射率小于环芯腔体的折射率。所述生物传感器制备方法，包括如下的步骤：采用喷墨印刷工艺在基片表面滴涂增益介质溶剂；待溶剂挥发后自组装形成固态环芯腔体，完成基于片上环芯腔体的生物传感器制作。本发明利用简单的喷墨印刷技术，结合低成本的掺杂工艺，可实现低成本、大面积、阵列化、高产率、微型化、可集成的片上生物传感器制作。

Description

一种生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于溶液折射率测量技术领域，特别涉及一种基于自组装量子点环芯腔体的生物传感器及其制备方法。

背景技术

生物传感器的基本原理是将生物目标作为识别物，把生物化学反应转换成为能够定量的物理或化学信号，从而实现对生命、化学物质检测及其监控的装置。生物传感器是生物活性材料与物理化学换能器有机结合的一门交叉学科，是发展生物技术必不可少的一种先进的检测和监控方法，也是物质分子水平的快速、微量分析方法。生物传感器不仅涉及到了现代生物技术、微电子学，还涉及到了光学、化学等多个研究领域。目前生物传感器领域正在全世界范围内迅速成长，在疾病诊断、抗癌药物开发、生物工程、药物分析、食品卫生检验和环境监测等方面有着广大的发展空间。

光学生物传感器由于具有灵活的的操作模式、较高的信号处理速度，结构小，易集成，灵敏度高，不受电磁干扰，可远程等特点，在疾病标志物检测方面具有很强的优势。光学生物传感器的基本原理是，以生物活性物质为识别部件，生物活性物质包括酶、蛋白质、抗体、抗原、DNA、微生物、适配体、细胞或组织等；通过物理吸附、偶联法、自组装或偶联法结合卵白素-生物素桥连法等方式将识别部件修饰于光学结构上；识别部件可以与被测物发生特异性结合，被测物的种类包括酶、蛋白质、抗体、抗原、DNA、微生物、适配体、细胞或组织、毒素、病毒、细菌等；特异性结合引起光学结构传感部位表面折射率或者温度等的改变，转换成输出光信号的相位或者幅值的变化，建立光信号的变化量与被测生物量之间的关系。

衡量传感器性能的两个主要的参量是：传感器灵敏度和传感器探测极限。灵敏度越高，探测极限越低，表明传感器的性能越好。灵敏度反应被测量与可探测光响应之间的比例关系问题。传感器探测极限是指传感器能探测到的最小待测量，探测极限不仅跟灵敏度有关，还受噪声的限制。因此，为了提高传感器的性能，我们需要提高传感器的灵敏度和减小噪声。为了满足生物医学应用，开发便携式、简易的新型片上光学传感器对于进一步加快生物传感技术的发展具有重要的意义。

目前已有的技术利用硅烷偶联剂与碱性环境处理后二氧化硅材质的微腔表面羟基会发生吸附合反应的原理，改变光学微腔模式的有效折射率，但其使用的微腔材质二氧化硅是一种无源的材质，在测试过程中需要用到锥形光纤耦合，测试系统稳定性差，可集成性不强，检测效率较低。

发明内容

本发明的主要目的在提出一种生物传感器及其制备方法，利用环芯腔体与生物探测目标的特异性结合引起光学结构传感部位表面折射率或者温度等的改变，转换成输出激光信号波长变化的传导机制，其测试系统简单，易实现片上集成化、微型化，便携性强。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：一种生物传感器，包括基片和固化形成于基片上的环芯腔体，所述环芯腔体的材料为可吸附生物分子的增益介质材料，所述基片光学折射率小于环芯腔体的折射率。所述生物传感器的基片和环芯腔体构成回音壁模式光学微腔，环芯腔体结构会吸附生物探测目标，导致微腔模式的等效折射率发生变化，进而引起环芯腔体激射波长发生移动，最终实现特异性生物目标浓度的检测。

优选的，所述环芯腔体为单个固态环芯腔体或两个耦合的固态环芯腔体，单个环芯腔体在生物目标识别时产生多模激射光，从而将生物信息转化为激光信号输出。两个耦合的固态环芯腔体在生物目标识别时，通过游标效应实现单模激射光的出射，有助于提高生物目标探测的辨识度。

更进一步的，所述两个耦合的固态环芯腔体的材料不同，两种不同材料的环芯腔体产生两组独立的光谱，可实现两种生物探测目标的同时测量。

更进一步的，所述增益介质材料具有光致发光特性，选用有机染料或有机染料复合物或稀土离子或稀土离子复合物或有机半导体聚合物或纯量子点或聚合物掺杂的量子点；环芯腔体的宽度为0-30μm，半径尺寸为0-300μm，高度为0-500μm。

更进一步的，所述量子点为纳米尺寸的颗粒，为二元或三元或四元的单核量子点，或为二元或三元或四元的核壳型量子点，或为表面羟基化或氨基化功能修饰后的量子点增益材料；量子点的浓度为1mg/mL-100mg/mL。

优选的，所述基片选用光学折射率小于2的材料，厚度为1um-10mm，基片表面光滑平整。

更进一步的，所述基片选用的材料为石英玻璃或K9玻璃或聚全氟乙丙烯FEP或聚二甲基硅氧烷PDMS或氧化铟锡ITO。

一种生物传感器制备方法，制备上述任一生物传感器，具体包括如下的步骤：

S1、采用喷墨印刷工艺在基片表面滴涂增益介质溶剂；

S2、待溶剂挥发后自组装形成固态环芯腔体，完成基于片上环芯腔体的生物传感器制作。

优选的，所述步骤S1中喷墨印刷工艺要求溶液粘度控制在0-3000cP，喷头直径为0-300μm。

优选的，所述步骤S2中环芯腔体的宽度为0-30μm，半径尺寸为0-300μm，高度为0-100μm。

优选的，所述步骤S1滴涂的增益介质溶液为特异性生物分子修饰过的量子点溶液或聚合物掺杂的量子点增益介质溶液，具体制备的工艺步骤为：

将生物分子或聚合物与功能化的量子点溶液混合，完成特异性生物分子修饰或聚合物分子掺杂，要求混合溶液分布均匀，没有沉淀。

更进一步的，所述量子点为纳米尺寸的颗粒，为二元或三元或四元的单核量子点，或为二元或三元或四元的核壳型量子点，或为表面羟基化或氨基化功能修饰后的量子点；量子点的浓度为1mg/mL-100mg/mL。

更进一步的，所述聚合物为热塑型光功能聚合物材料；聚合物掺杂的质量分数为0.1％-10％。

更进一步的，所述聚合物为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA、聚苯乙烯PS、聚碳酸酯PC的一种或多种的组合。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

1、本发明采用自组装的环芯腔体作为生物目标或分子探测元件，利用光学传导模式折射率变化引起激射波长移动的传导机制，相比无源的光学微腔传感器，其测试系统简单，器件制作成本低，易实现片上集成化、微型化、便携式的生物传感器。

2、本发明采用回音壁模式的光学腔体作为基本的测试单元，对比基于电学特性传导机制的生物传感器，光学传感器的功耗低，抗电磁干扰性强，安全性好，灵活性强。

3、本发明采用量子点等增益介质材料，其材料分子末端可进行分子修饰以吸附特定的生物分子，有利于实现生物目标的特异性传感，同时便于拓展片上低成本生物传感器的种类和功能。

4、本发明采用两个耦合的固态环芯腔体，在生物目标识别时，通过游标效应实现单模激射光的出射，有助于提高生物目标探测的辨识度。

5、本发明采用两个不同材料的固态环芯腔体，不同材料的环芯腔体产生两组独立的光谱，实现两种生物探测目标的同时测量。

附图说明

图1为本发明实施例1生物传感器制作工艺流程示意图。

图2为本发明实施例1一种生物传感器示意图。

图3为本发明实施例1自由空间微荧光测试系统示意图。

图4为本发明实施例1加工制作的生物传感器扫描电子显微镜图片。

图5为本发明实施例1加工制作的生物传感器扫描电子显微镜局部放大图。

图6为本发明实施例1一种生物传感器制备方法流程图。

其中：11—衬底基片；12—纯量子点溶液；13—固态微环芯腔体；14—氨基酸溶液；21—脉冲激光器；22—平凸透镜；23—生物溶液盛放器皿；24—滤光片；25—物镜；26—光谱仪；27—传感器样品；28—光束。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

回音壁模式是存在于多边形谐振器里面的一类特殊的电磁波谐振模式，依靠在谐振器边界面上的全内反射，其能够以较小的光学损耗沿着谐振器的弧形微腔表面进行传播。回音壁模式光学微腔是由高折射率介质构成，腔体外部则是低折射率的介质，从而利用高折射率对比度实现对电磁波较强的束缚。它的光学性能主要用品质因子Q和模式体积V来表征，品质因子Q反映了光波被束缚在腔内的能量大小，也可以说是光子存储的寿命。模式体积V反映了束缚在腔内光子的有效体积。回音壁模式光学微腔品质因子高、模式体积小的特征，使其广泛应用于光机动力学、量子光学、生物化学传感、奇点光学等领域。事实上，通过选择合适的光学增益介质，设计加工特定的微腔结构，可以观察到不同的激射现象。利用激射的传导机制，可以实现不同生物探测目标的识别。

实施例1

如图2所示，一种基于量子点增益介质的生物传感器，包括低折射率的基片和和固化形成于基片上的环芯腔体，所述环芯腔体的材料为可吸附生物分子的功能化量子点增益介质材料。所述生物传感器的基片和环芯腔体构成回音壁模式光学微腔，环芯腔体结构会吸附生物探测目标，导致微腔模式的等效折射率发生变化，进而引起环芯腔体激射波长发生移动，最终实现特异性生物目标浓度的检测。

功能化(即经特异性分子修饰过表面)量子点增益介质的选择一方面是为了获得生物传感器需要的有源材料，另一方面可以作为特殊生物探测目标的吸收层。当玻璃器皿中添加生物溶液后，如图1所示，上述基于量子点增益介质的生物传感器制作方法及生物探测目标识别方法，具体步骤如下：

S1、选用3cm×3cm大小的石英玻璃片作为衬底基片11，并用浓硫酸和双氧水的混合溶液在60℃清洗10min。

S2、将功能化的胶体核壳型量子点CdSe-ZnS分散到甲苯溶剂中，浓度为30mg/mL，利用喷墨印刷的机器在石英玻璃基片上单步滴涂离散的纯量子点溶液12。要求喷头直径为60μm，温度为室温，湿度为43％，控制电压为6.9V，脉冲频率为90Hz，脉宽20μs，延迟时间为0.357ms。

S3、静置衬底3-30min，在甲苯溶剂蒸发的过程中，功能化纯量子点自组装成单个固态微环芯腔体13，完成基于纯胶体量子点增益介质的像素化(即单点像素，也可作成多个点阵，即多个像素点)生物传感器制作，该生物传感器扫描电子显微镜图片及局部放大如如图4、5所示。

S4、将生物传感器放置于生物溶液盛放器皿23中，添加待检测的低浓度氨基酸溶液14倒入玻璃器皿中，借助自由空间微荧光测试系统，如图3所示，通过光谱仪26分析对比激射波长的位置变化，评估器件的传感灵敏度和探测极限，最终实现低浓度氨基酸溶液的标定和识别。

该自由空间微荧光测试系统主要包括：21—脉冲激光器；22—平凸透镜；23—生物溶液盛放器皿；24—滤光片；25—物镜；26—光谱仪；27—传感器样品，28—光束。器件测试时，脉冲激光器发出的自由空间光首先经过透镜聚焦到微腔样品表面，光斑直径大约300um，增益介质层散射出来的光信号经过物镜聚焦后被光谱仪收集。当生物溶液浓度发生变化时，微环芯腔体对应的激射波长会发生移动，通过对比光谱仪上的谱图，即可完成生物溶液浓度变化的测量。

本实施中，油相的CdSe-ZnS核壳量子点为商品化的产品，颗粒尺寸为5-8nm，量子产率为60％-90％。

实施例2

一种基于聚合物掺杂的量子点增益介质混合的生物传感器，其基片选用低折射率的石英玻璃基片，环芯腔体的材料为聚合物掺杂的量子点增益介质材料。

如图1所示，上述基于聚合物掺杂的量子点增益介质混合的生物传感器制作方法，具体步骤如下：

S1、选用3cm×3cm大小的石英玻璃片作为基片，并用浓硫酸和双氧水的混合溶液在60℃清洗10min。

S2、将功能化的胶体核壳型量子点CdSe-ZnS分散到甲苯溶剂中，浓度为30mg/mL。配置质量分数为1％的FCV(聚丙烯酰吡咯)溶液，然后将量子点溶液与FCV溶液按照体积比1:1混合，完成聚合物掺杂的量子点增益介质混合溶液的准备。利用喷墨印刷的机器在石英玻璃基片上单步滴涂聚合物掺杂的量子点混合溶液。要求喷头直径为60m，温度为室温，湿度为43％，控制电压为6.9V，脉冲频率为90Hz，脉宽20s，延迟时间为0.357ms。

S3、静置衬底3-30min，在溶剂蒸发的过程中，聚合物掺杂的量子点混合溶液自组装成单个固态微环芯腔体，完成基于聚合物掺杂的量子点增益介质的像素化生物传感器制作。

S4、将生物传感器放置于玻璃器皿中，添加待检测的低浓度蛋白质溶液倒入玻璃器皿中。由于FCV聚合物可以吸附蛋白质，所以可借助自由空间微荧光测试系统，通过光谱仪分析对比激射波长的位置变化，评估器件的传感灵敏度和探测极限，最终实现低浓度蛋白质溶液的标定和识别。

本实施例对应的测试系统和测试步骤与实施例1相同。

实施例3

一种基于聚合物掺杂的量子点增益介质混合的生物传感器，包括低折射率的石英玻璃基片和两个耦合的环芯腔体，所述环芯腔体材料为聚合物掺杂的量子点增益介质材料。

上述基于聚合物掺杂的量子点增益介质混合的生物传感器制作方法，具体步骤如下：

S1、选用3cm×3cm大小的石英玻璃片作为基片，并用浓硫酸和双氧水的混合溶液在60℃清洗10min。

S2、将功能化的胶体核壳型量子点CdSe-ZnS分散到甲苯溶剂中，浓度为30mg/mL。配置质量分数为1％的FCV溶液，然后将量子点溶液与FCV溶液按照体积比1:1混合，完成聚合物掺杂的量子点增益介质混合溶液的准备。利用喷墨印刷的机器在石英玻璃基片上连续滴涂两次聚合物掺杂的量子点混合溶液，通过精确控制两滴溶液的相对位置(如50-1000nm之间)，利用游标效应实现两个微环激光器之间的耦合，完成单模激光的出射。要求喷头直径为60μm，温度为室温，湿度为43％，控制电压为6.9V，脉冲频率为90Hz，脉宽20μs，延迟时间为0.357ms。

S3、静置或者加热衬底3-30min，在溶剂蒸发的过程中，两滴聚合物掺杂的量子点混合溶液自组装成相互耦合的两个固态微环芯腔体，完成基于聚合物掺杂的量子点介质层混合的双环像素化生物传感器制作。

S4、将生物传感器放置于玻璃器皿中，添加待检测的低浓度蛋白质溶液倒入玻璃器皿中。由于FCV聚合物可以吸附蛋白质，所以可借助自由空间微荧光测试系统，通过光谱仪分析对比单模激射波长的位置变化，评估器件的传感灵敏度和探测极限，最终更容易实现低浓度蛋白质溶液的标定和识别。

本实施例对应的测试系统和测试步骤与实施例1相同。

除了蛋白质外，还可选用其他聚合物来吸附其他生物分子，如常见的酶、抗体、抗原、DNA、微生物、适配体、细胞或组织、毒素、病毒、细菌等。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种生物传感器，其特征在于，包括基片和固化形成于基片上的环芯腔体，所述环芯腔体的材料为可吸附生物分子的增益介质材料，所述基片光学折射率小于环芯腔体的折射率；所述环芯腔体为两个耦合的固态环芯腔体，所述两个耦合的固态环芯腔体的材料不同，两种不同材料的环芯腔体产生两组独立的光谱；

所述生物传感器制备方法，包括如下的步骤：

S1、采用喷墨印刷工艺在基片表面滴涂增益介质溶液；

S2、待溶剂挥发后自组装形成固态环芯腔体，完成基于片上环芯腔体的生物传感器制作。

2.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述增益介质材料为有机染料或有机染料复合物或稀土离子或稀土离子复合物或有机半导体聚合物或纯量子点或聚合物掺杂的量子点；环芯腔体的宽度为0-30μm，半径尺寸为0-300μm，高度为0-500μm。

3.根据权利要求1所述的生物传感器，所述基片选用光学折射率小于2的材料，厚度为1um-10mm，基片表面光滑平整。

4.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述步骤S1中喷墨印刷工艺要求溶液粘度控制在0-3000c P，喷头直径为0-300μm。

5.根据权利要求1所述的生物传感器，其特征在于，所述步骤S1滴涂的增益介质溶液为特异性生物分子修饰过的量子点溶液或聚合物掺杂的量子点增益介质溶液，具体制备的工艺步骤为：

将生物分子或聚合物与功能化的量子点溶液混合，完成特异性生物分子修饰或聚合物分子掺杂，要求混合溶液分布均匀，没有沉淀。

6.根据权利要求5所述的生物传感器，其特征在于，所述量子点为纳米尺寸的颗粒，为二元或三元或四元的单核量子点，或为二元或三元或四元的核壳型量子点，或为表面羟基化或氨基化功能修饰后的量子点；量子点的浓度为1mg/mL-100mg/mL。

7.根据权利要求5所述的生物传感器制备方法，其特征在于，所述聚合物为热塑型光功能聚合物材料；聚合物掺杂的质量分数为0.1％-10％。

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