CN110836872A - 一种柔性免标记纳米凸起超表面结构及其制作、传感方法 - Google Patents

一种柔性免标记纳米凸起超表面结构及其制作、传感方法 Download PDF

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Abstract

本发明适用于生物医学检测技术领域，提供了一种柔性免标记纳米凸起超表面结构，包括：超表面结构芯片、生物试剂和集成光纤探针；超表面结构芯片由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成，其中底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列；生物试剂包括：11‑巯基十一烷酸溶液(MUA)、磷酸盐缓冲液(PBS)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N‑羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti‑CEA)；集成光纤探针用于测量超表面结构的反射光谱。本发明还提供一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的制作及其传感方法。本发明提供的超表面结构不但成本低，且实现了其具有的生物医学功能在高性能生物传感器中的应用。

Description

一种柔性免标记纳米凸起超表面结构及其制作、传感方法
技术领域
本发明属于生物医学检测技术领域，尤其涉及一种柔性免标记纳米凸起超表面结构及其制作、传感方法。
背景技术
近年来，由于对光学透镜、传感、光捕获、集成电路、高分辨率成像和化学分析应用需求的增加，等离激元超表面的研究引起了强烈的关注，其中，基于等离激元超表面的免标记生物分子传感技术已经取得了重大的成果。因此，在快速、高灵敏度和低成本的即时检测和移动医疗生物传感器的需求日益增长的推动下，人们致力于提高等离激元传感器的性能。
等离激元超表面生物传感器通常采用均匀的周期性纳米结构，通过低成本和可复制的工艺进行加工，它的优点是缺陷少、特性高、面积大。然而，为了保持它们的高传感性能，大多数纳米制造方法通常需要在诸如硅、玻璃或熔融二氧化硅等刚性基板上进行耗时而昂贵的图案化处理，这极大地限制了它们在轻型、可穿戴和一次性生物传感器等方面的应用。此外，等离激元超表面的生物相容性和生物功能化在实际传感应用中也是非常关键的。低成本柔性的具有生物医学功能的等离激元超表面在高性能生物传感器中的潜在应用尚未实现。
发明内容
本发明实施例提供一种方法，旨在解决现有技术中采用纳米结构的等离激元超表面生物传感器制作时，通常需要硅、玻璃或熔融二氧化硅等刚性基板上进行耗时而昂贵的图案化处理，限制其应用的问题。
本发明实施例是这样实现的，一种柔性免标记纳米凸起超表面结构，所述超表面结包括：
超表面结构芯片、生物试剂和集成光纤探针；
所述超表面结构芯片由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成，其中所述底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列；
所述生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA)、磷酸盐缓冲液(PBS)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)；
所述集成光纤探针用于测量所述超表面结构的反射光谱。
优选的，所述铬膜厚度5nm，金膜厚度150nm。
优选的，所述周期性纳米柱阵列直径为180nm，周期为450nm。
优选的，所述底物的材质为聚碳酸酯基片。
本发明实施例还提供一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的制作方法，包括以下步骤：
纳米压印，在40bar的压力下，110℃至150℃的温度范围内，采用2英寸镍模对底物进行热处理，形成周期纳米柱阵列；
等离子刻蚀，设置不同的刻蚀时间，将所述纳米压印步骤中的所述周期纳米柱阵列用氧等离子进行刻蚀，将所述纳米柱阵列刻蚀为纳米凸起基片；
金属层沉积，用电子束蒸镀仪在所述等离子刻蚀步骤所得的所述纳米凸起基片上镀上一层5nm铬膜和150nm金膜。
优选的，所述刻蚀时间为425s。
本发明实施例还提供一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的传感方法，包括如下步骤：
步骤一：配制10mmol/L的MUA乙醇溶液，将所述超表面结构放在MUA乙醇溶液中保存8至14小时，形成MUA自组装膜；
步骤二：配制400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液，先用去离子水清洗所述步骤一中的超表面结构，然后用所述400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液将超表面结构浸泡0.5小时，活化MUA；
步骤三：将所述步骤二中的超表面结构放在40ug/mL的CEA抗体溶液中浸泡0.5至1.5个小时，使所述CEA抗体溶液中的CEA抗体与所述超表面结构表面的MUA结合；
步骤四：在所述步骤三中的超表面结构中加入浓度为1％至2％BSA溶液；
步骤五：加入5种不同浓度的标准CEA溶液进行测定，所述5种不同浓度的浓度范围为10ng/mL-50ng/mL，浓度间隔为10ng/mL。
优选的，上述步骤五具体包括：采用集成光纤探针垂直入射的方式对所述5种不同浓度的标准CEA溶液进行测量。
本发明实施例提供的柔性免标记纳米凸起超表面结构，包括由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成的超表面结构芯片、生物试剂和用于测量超表面结构的反射光谱集成光纤探针，其中，底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列，生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA溶液)、磷酸盐缓冲液(PBS溶液)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)，该柔性免标记纳米凸起超表面结构制作工艺简单、成本低，可以实现其具有的生物医学功能在高性能生物传感器中的应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性免标记纳米凸起超表面结构的等效示意图；
图2a为本发明实施例提供的超表面结构芯片的实物图；
图2b为本发明实施例提供的超表面结构芯片的局部2um电镜图；
图3为本发明实施例提供的周期性纳米柱状阵列结构在无刻蚀、425s刻蚀、575s刻蚀下的超表面结构电镜图；
图4为本发明实施例提供的不同刻蚀时间下柔性免标记纳米凸起超表面结构分别在空气和水中的反射率曲线图；
图5为本发明实施例提供的波谷偏移量与CEA浓度传感曲线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例提供的柔性免标记纳米凸起超表面结构，包括由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成的超表面结构芯片、生物试剂和用于测量超表面结构的反射光谱集成光纤探针，其中，底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列，生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA)、磷酸盐缓冲液(PBS溶液)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)，该柔性免标记纳米凸起超表面结构制作工艺简单、成本低，可以实现其具有的生物医学功能在高性能生物传感器中的应用。
实施例一
参见图1，本发明实施例提供了一种柔性免标记纳米凸起超表面结构(以下简称为超表面结构)，上述柔性免标记纳米凸起超表面结构包括：超表面结构芯片(未标注)、生物试剂(未标注)和集成光纤探针(7)。
在本发明实施例中，上述超表面结构芯片由底物(1)、铬膜和金膜(2)自下而上依次复合而成，其中，底物(1)上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列。
作为本发明的一个优选实施例，上述铬膜和金膜(2)中的铬膜厚度5nm，金膜厚度150nm。
作为本发明的另一个优选实施例，上述周期性纳米柱阵列直径为180nm，周期为450nm。
作为本发明的另一个优选实施例，上述底物(1)的材质为聚碳酸酯基片。
上述生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA溶液)、磷酸盐缓冲液(PBS溶液)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)(5)、癌胚抗原(CEA)(6)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)(4)；上述集成光纤探针(7)用于测量超表面结构的反射光谱。
可以理解，上述11-巯基十一烷酸溶液(MUA溶液)中，包含有纳米的粒子形态的MUA(3)。
本发明实施例提供的柔性免标记纳米凸起超表面结构，包括由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成的超表面结构芯片、生物试剂和用于测量超表面结构的反射光谱集成光纤探针，其中，底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列，生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA溶液)、磷酸盐缓冲液(PBS溶液)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)，该柔性免标记纳米凸起超表面结构成本低，可以实现其具有的生物医学功能在高性能生物传感器中的应用。
实施例二
本发明实施例还提供一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的制作方法，包括以下步骤：
第一步：纳米压印，在40bar的压力下，110℃至150℃的温度范围内，采用2英寸镍模对底物(1)进行热处理，形成周期纳米柱阵列。
第二步：等离子刻蚀，设置不同的刻蚀时间，将纳米压印步骤中的周期纳米柱阵列用氧等离子进行刻蚀，将纳米柱阵列刻蚀为纳米凸起基片。
作为本发明的一个优选实施例，上述等离子刻蚀步骤中的最佳刻蚀时间为425s，可以看出此时表面结构的纳米柱阵列直径和形态会发生变化(具体参见图3)，在最佳刻蚀时间可以降低反射率，在水中测试时也会显示特有的波谷。
第三步：金属层沉积，用电子束蒸镀仪在等离子刻蚀步骤所得的纳米凸起基片上镀上一层5nm铬膜和150nm金膜。
参见图2可知，图2a为超表面结构芯片的实物图，图2b为超表面结构芯片的局部2um电镜图。比对后，从图2a中可以看出，由于超表面结构芯片采用聚碳酸酯基底制备，易于弯折，具有常规的硅衬底不具备的柔性特点；从图2a中可以看出周期性纳米凸起阵列整齐排列，表面光洁，性能良好。
参见图3可知，周期性纳米柱状阵列结构分别在无刻蚀-即图3中的(a)、425s刻蚀-即图3中的(b)、575s刻蚀-即图3中的(c)下的超表面结构电镜图，不同的刻蚀时间会呈现不同的纳米结构，从而影响超表面结构的性能，具体对超表结构性能的影响如下：
参见图4，设置氧流量为50sccm、功率为40W，通过调节刻蚀时间，可以得到不同的纳米凸起超表面结构，用以满足高的品质因子和低的FWHM(FullWave at Half Maximum，半最大值全波)指标的需要。而不同的纳米凸起超表面结构在空气中和水中表现出不同的性能，用575s刻蚀(过刻蚀法)在水中表现出两个明显的共振倾向，但共振系数低，共振频率大。当采用最佳刻蚀时间(425s刻蚀)时，在650nm波长附近表现出明显的等离激元共振，从而极大降低反射率。由于金在550nm以下具有固有损耗，低阶等离激元共振被抑制并与高阶等离激元共振相结合，而水中的低阶等离激元共振由于其形态和尺寸的优化而呈现出良好的共振特性。
实施例三
本发明实施例还提供一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的传感方法，包括如下步骤：
步骤一：配制10mmol/L的MUA乙醇溶液，将超表面结构放在MUA乙醇溶液中保存8至14小时，形成MUA自组装膜。
作为本发明的一个优选实施例，上述保存时间为12小时。
步骤二：配制400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液，先用去离子水清洗上述步骤一中的超表面结构，然后用400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液将超表面结构浸泡0.5小时，以活化MUA(3)。
步骤三：将上述步骤二中的超表面结构放在40ug/mL的CEA抗体溶液中浸泡0.5至1.5个小时，使CEA抗体溶液中的CEA抗体与超表面结构表面的MUA(3)结合，从而固定CEA抗体。
作为本发明的一个优选实施例，上述浸泡时间为1小时。
步骤四：在上述步骤三中的超表面结构中加入浓度为1％至2％BSA溶液BSA溶液中的BSA会与超表面结构上没有和CEA抗体结合的MUA(3)相结合，从而封闭活化MUA(3)而产生的多余羧基。
步骤五：加入5种不同浓度的标准CEA溶液进行测定，所述5种不同浓度的浓度范围为10ng/mL-50ng/mL，浓度间隔为10ng/mL。
在本发明实施例中，述步骤五具体包括：采用集成光纤探针(7)垂直入射的方式对上述5种不同浓度的标准CEA溶液进行测量，具体测量结果参见图5。从图5可知，波谷偏移量与CEA浓度的传感曲线可以用于未知CEA浓度测定。
本发明实施例提供的柔性免标记纳米凸起超表面结构，包括由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成的超表面结构芯片、生物试剂和用于测量超表面结构的反射光谱集成光纤探针，其中，底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列，生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA溶液)、磷酸盐缓冲液(PBS溶液)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)，该柔性免标记纳米凸起超表面结构制作工艺简单、成本低，可以实现其具有的生物医学功能在高性能生物传感器中的应用。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性免标记纳米凸起超表面结构，其特征在于，所述超表面结构包括：
超表面结构芯片、生物试剂和集成光纤探针；
所述超表面结构芯片由底物、铬膜和金膜自下而上依次复合而成，其中所述底物上覆有镍模压印的周期性纳米柱阵列；
所述生物试剂包括：11-巯基十一烷酸溶液(MUA)、磷酸盐缓冲液(PBS)、乙基二甲基胺丙基碳化二亚胺(EDC)、N-羟基琥珀酰亚胺(NHS)、牛血清白蛋白(BSA)、癌胚抗原(CEA)和癌胚蛋白抗体(Anti-CEA)；
所述集成光纤探针用于测量所述超表面结构的反射光谱。
2.如权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述铬膜厚度5nm，金膜厚度150nm。
3.如权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述周期性纳米柱阵列直径为180nm，周期为450nm。
4.如权利要求1所述的超表面结构，其特征在于，所述底物的材质为聚碳酸酯基片。
5.一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的制作方法，包括以下步骤：
纳米压印，在40bar的压力下，110℃至150℃的温度范围内，采用2英寸镍模对底物进行热处理，形成周期纳米柱阵列；
等离子刻蚀，设置不同的刻蚀时间，将所述纳米压印步骤中的所述周期纳米柱阵列用氧等离子进行刻蚀，将所述纳米柱阵列刻蚀为纳米凸起基片；
金属层沉积，用电子束蒸镀仪在所述等离子刻蚀步骤所得的所述纳米凸起基片上镀上一层5nm铬膜和150nm金膜。
6.如权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述刻蚀时间为425s。
7.一种柔性免标记纳米凸起超表面结构的传感方法，包括如下步骤：
步骤一：配制10mmol/L的MUA乙醇溶液，将所述超表面结构放在MUA乙醇溶液中保存8至14小时，形成MUA自组装膜；
步骤二：配制400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液，先用去离子水清洗所述步骤一中的超表面结构，然后用所述400mmol/L的EDC溶液和100mmol/L的NHS溶液将超表面结构浸泡0.5小时，活化MUA；
步骤三：将所述步骤二中的超表面结构放在40ug/mL的CEA抗体溶液中浸泡0.5至1.5个小时，使所述CEA抗体溶液中的CEA抗体与所述超表面结构表面的MUA结合；
步骤四：在所述步骤三中的超表面结构中加入浓度为1％至2％BSA溶液；
步骤五：加入5种不同浓度的标准CEA溶液进行测定，所述5种不同浓度的浓度范围为10ng/mL-50ng/mL，浓度间隔为10ng/mL。
8.如权利要求7所述的传感方法，其特征在于，所述步骤五具体包括：
采用所述集成光纤探针垂直入射的方式对所述5种不同浓度的标准CEA溶液进行测量。
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