CN112229826A - 通用高效多底物检测光子晶体微芯片 - Google Patents

Abstract

本发明属于微纳米材料与光化学分析领域，涉及一种由多种3D形貌光子晶体点阵图案排列的高效通用多底物检测分析微芯片。本发明使用具有亲水‑疏水图案化性质的表面作为基材，利用多喷头精细喷墨打印技术与聚丙烯酸‑聚丙烯酸甲酯(壳)‑聚苯乙烯(核)聚合物纳米小球快速自组装，制备由多种3D形貌光子晶体阵列化排列形成的光子晶体芯片。芯片利用3D形貌光子晶体表面的曲率，使用同一种颗粒尺寸的聚合物纳米小球实现全带隙的光子晶体阵列。本发明利用单一尺寸的纳米颗粒构建多种3D形貌光子晶体微阵列，实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，产品对各种复杂环境的多底物识别与检测具有广谱地通用性与很强的可操作性。

Description

通用高效多底物检测光子晶体微芯片

技术领域

本发明属于微纳米材料与光化学分析领域，特别涉及一种多种形貌3D光子点阵排列的高效通用多底物检测分析微芯片。

背景技术

多底物检测是对多种样本的高通量和高效率检测方式，在临床诊断、生物筛选、食品工业、环境监测等领域具有巨大优势。为了成功地实现多底物检测，需要采集足够的差异化传感信息。基于有机荧光化合物，设计具有类似结构或衍生物的分子并将之构建传感器阵列，可进行相应分析物的交叉反应识别。基于这种思想，科学家们已经开发出数十万种可用于传感器的有机化合物，这一过程往往涉及复杂的化学合成和有效分子的筛选。然而，基于单一化学传感器的响应性单一或十分有限，通常无法实现对多底物的识别与分析。因此，尽管许多的检测分子阵列系列已经被设计和合成，如何便捷的实现多底物检测阵列和发展一种普遍、高效的多底物检测方法仍然是一个巨大的挑战。开发一种通用高效的微/纳米结构检测芯片的制备与分析方法，利用尽量单一、普通易得的传感器化合物实现多底物的快速分析与检测，具有十分现实的应用价值与广阔的科学意义。

近年来，随着纳米科学的高速发展，利用纳米技术开发新材料，为提升材料的性能和改进器件性能提供了新的思路。通过构造具备微/纳米结构的材料或器件提供多底物分析所需的差异化信息，为避免复杂的有机化合物传感器的设计与大规模的合成提供了可能。在这类微/纳米结构材料中，被比喻为“光的半导体”的光子晶体受到人们的广泛关注。当具有不同介电常数的介电材料组成周期性结构，电磁波在其中传播时由于布拉格散射的存在，电磁波将会受到结构的调制从而形成能带结构，这种能带叫做光子能带，光子能带之间将出现光子禁带。这种具有光子能带的周期性介电结构称为光子晶体。光子晶体可以按照介电材料周期性变化的空间维度可划分为一维、二维、三维光子晶体。光子晶体具有优秀的光传播调控性能，在光学传感、光学增强、光富集、光波导、光学防伪、催化等领域具有广泛的应用前景。特别的，当光子晶体的光子禁带与荧光染料的荧光发射峰相匹配是，由于光子晶体的慢光子效应可实现对荧光发射数量级级别的增强。利用光子晶体的荧光增强效应，已在爆炸物、DNA等生物和化学领域的高灵敏检测实现应用。然而，利用光子晶体在多底物复杂环境的分析与检测的研究还少有涉及。基于我们课题组在生命物质高灵敏度检测和微/纳米加工技术的基础，利用硬核-软壳结构微粒乳胶液，在氢键诱导作用下实现高质量光子晶体喷墨打印和自组装，在控制基地浸润性图案化的同时，实现对墨滴的精确控制，从而制备具有不同 3D形貌的光子晶体点阵阵列。

发明内容

本发明的主要目的开发了一种通用性的用于高效多底物检测与分析的3D 形貌光子晶体微芯片。

本发明的目的之二在于利用同一种纳米颗粒自组装形成不同3D形貌的光子晶体点阵，利用不同形貌光子晶体表面分布的光子禁带，实现荧光信号的选择性调控作用，针对化学传感器对不同检测底物的荧光响应差别，利用光子禁带将与之匹配的荧光响应差异进行选择性的放大，为多底物分析提供更多的差异化信息，从而达到单一传感器无法或难于实现的多底物检测与分析。

本发明的目的之三在于利用光子晶体光子禁带对荧光的增强作用，放大化学传感器响应过程中的荧光信号，以提高传感器的检测灵敏度、降低检测限。

本发明的目的之四在于通过喷墨打印技术，精细控制乳胶液滴在浸润性图案化基材表面的选择性吸附与自组装过程，利制备从500-1000微米小至 30-50微米点阵的多种3D形貌光子晶体微芯片。该微芯片制备工艺具有精确、简便、快速，所制备的芯片具有检测密度更高(200倍于市场上现有的384孔板等芯片模版)等优点。

本发明的目的之五在于基于单一尺寸的单分散纳米颗粒(150-350nm)，利用3D形貌光子晶体表面曲率对光子带隙的调节，构建具有广阔带隙范围的光子晶体微阵列芯片，使之对大部分可见光区域的荧光化学传感器具有广泛的应用性。

本发明的目的之六在于结合多禁带光子晶体微芯片与多级分组分析 (HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，建立一种通用多底物检测、识别与分析的方法。

本发明的目的之七在于结合多禁带光子晶体微芯片与8-喹啉醇、丹磺酰氯标记的寡聚乙二胺或氰代卟啉等莫一单一荧光化学传感器，在芯片上对Al³⁺, Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu^{2 +},Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺等多种不同金属阳离子，基于F^-,Cl^-,Br^-,I^-,NO₃ ^-,ClO₄ ^-,HCO₃ ^-,HSO₃ ^-,HPO₃ ^2-,SO₄ ^2-, AcO^2-,CO₃ ^2-等多种不同酸根阴离子实施检测与识别。

本发明产品的制备方法如下：(如图1示意)

1)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核) 的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备不同粒径(150-350nm)的乳胶微球。

2)将步骤1)所制备的具有不同粒径的乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5-1.0％的水/乙二醇(质量比为3：2)溶液。

3)以步骤2)中所配制的溶液为墨水，将不同粒径的乳胶微球乳液墨水分别添加和导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

4)利用掩膜版光刻的方法制备具有亲水-疏水图案化阵列的基材，亲水区域图案的大小可调节，形状包括但不仅限于圆形、六边形、五边形、四边形、三角形等。

5)将步骤3)中所准备的乳胶液喷墨打印机与电脑进行控制连接，用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在步骤4)中具有亲水-疏水图案化的基底表面，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得具有多种光子禁带分布的光子晶体微阵列芯片(图1)。

本发明产品的使用方法如下：

1)根据所需用的化学传感器荧光光谱，选择表面光子禁带分布与之匹配的3D形貌的光子晶体微阵列芯片。配制合适浓度(一般小于5.0mM)的化学传感器溶液，通过旋涂或浸涂将化学传感器均匀涂抹在芯片表面。

2)用荧光扫描仪或荧光显微镜对芯片在不同波长通道下进行荧光强度记录与成像。

3)使用具有亲水-疏水图案化阵列的基材作为芯片底版。

4)用点样器在芯片的相应位置上进行不同检测物的点染。

5)用荧光扫描仪或荧光显微镜对检测物点染后的芯片在不同波长通道下进行荧光强度记录与成像。

6)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行主成分分析(PCA)、多级分组分析与线性差别分析，得出各检测底物的分组与组份相似性结果与识别分析。

本发明产品具有下列特点：

1)本发明在不同改变化学组成与分子结构的前提下，通过引入具有不同形貌的3D纳米结构材料光子晶体，全面提升化学传感器的检测响应性能。

2)本发明可实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，避免了传统传感器芯片对多个、成系列化合的需求，从而绕开了组合化学设计、多步合成、有效响应性化合物的筛选等合成化学的繁琐工艺，具有优秀的环境友好性与化学经济性。

3)本发明通过构建具有广泛带隙的光子晶体阵列，对所有荧光发射在近紫外-可见区的化学传感器具有普遍适用性。实验已经证明本发明可应用于多种金属阳离子、阴离子等多底物的检测与分析。

4)本发明利用喷墨打印技术与氢键诱导下聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)- 聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒的快速有序自组装，实现多禁带的光子晶体微芯片的制备。本发明具有工艺简便、快捷、易操作与成本低的特点。

5)本发明通过喷墨打印精细微控制，可制备30-500微米点阵的光子晶体微芯片，相比于传统的阵列检测芯片(96孔板与384孔板等)，本发明具有较高的检测密度。

附图说明

图1.本发明的多禁带光子晶体阵列芯片光学照片，与聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒有序排列的扫描电镜照片。图中以所制备的900-1000微米的点阵，均使用尺寸在250nm左右的单分散纳米颗粒自组装形成。

图2.本发明实施例1所使用的六边形3D结构光子晶体的扫描电镜侧视照片，光子禁带分布效果图及其实验图，以及六边形、五边形、四边形和三角形3D结构光子晶体表面的光子禁带分布效果和实验数据图。

图3.本发明实施例1所使用的荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”，及其在四氢呋喃(THF)溶液中对Al³⁺离子响应的荧光光谱；在六边形3D结构光子晶体表面不同区域对Al³⁺离子响应荧光光谱的不同增强效果，以及其他形状 3D结构光子晶体表面不同区域对Al³⁺离子响应荧光光谱的不同增强效果。

图4.本发明实施例1中，荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺, Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，经统计学线性差别分析(LDA)所得到的识别与分析结果。如图，14种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组。

图5.本发明实施例1中，经统计学多级分组分析(HCA)所得到的，Al³⁺, Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺14种金属阳离子的化学相似性分析结果。

图6.本发明实施例1中，经统计学多级分组分析(HCA)所得到的，12 种大同地区地下水样品的相似性分析结果。

图7.本发明实施例1中，荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多种3D形貌光子晶体微芯片上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺, Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，线性差别分析(LDA) 10种金属阳离子检测分别进行的7次重复实验分组与识别验证。10种金属阳离子被100％正确分组与识别验证。

图8.本发明实施例1中，荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多种3D形貌光子晶体微芯片上，对12种大同地区地下水样品的响应，线性差别分析(LDA)10种金属阳离子检测分别进行的7次重复实验分组与识别验证。12种金属阳离子被100％正确分组与识别验证。

具体实施方式

实施例1：

1)选择8-喹啉醇为化学传感器，分别测量8-喹啉醇在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃,FeCl₃,CoCl₂,NiCl₂,CuCl₂,ZnCl₂,HgCl₂,CdCl₂,CaCl₂,MgCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。根据8-喹啉醇对金属阳离子响应的荧光光谱特征，将尺寸为250nm的单分散乳胶微球乳液为打印墨滴，以圆形、六边形、五边形、四边形、三角形的3D结构光子晶体组成阵列，该系列形貌3D 结构光子晶体具有620nm-520nm的光子带隙分布，以此光子晶体微芯片进行检测分析。

2)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备粒径为250nm的单分散乳胶微球。

3)将步骤2)所制备250nm的单分散乳胶微球光子晶体乳胶微球乳液配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3：2)溶液。

4)以步骤3)中所配制的溶液为墨水，将墨水导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

5)通过掩膜版和光刻技术制备具有亲水-疏水图案化的基材作为打印基底。亲水区域图案为圆形、六边形、五边形、四边形和三角形组成的间距为30微米的点阵阵列。

6)将步骤4)中所准备的乳胶液喷墨打印机与电脑进行控制连接，在电脑上设计间距为30微米的点阵，用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在步骤5)的基底上，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得多色(禁带)光子晶体微阵列芯片(如图1)。

7)配制浓度为1.0mM的8-喹啉醇的四氢呋喃溶液，将步骤6)所制备的光子晶体芯片浸入8-喹啉醇的四氢呋喃溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

8)在紫外灯(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在405nm、480nm、 505nm、535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

9)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染，点染后的芯片仍然在相同的测试条件下，用荧光扫描仪对芯片在405nm、480nm、505nm、535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

10)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“4-芘基-8- 羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺, Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，14种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组(如图4)。经过多级分组分析(HCA)，可以得到以上14种金属阳离子的化学相似性结果(如图5)。

11)荧光化学传感器“8-喹啉醇”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对12 种大同地区的地下水样品中的金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析 (LDA)，12种大同地区的地下水样品检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组(如图6)。

实施例2

1)选择4-芘基-8-羟基喹啉为化学传感器，分别测量4-芘基-8-羟基喹啉在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃,FeCl₂,CoCl₂,NiCl₂,CuCl₂,ZnCl₂,HgCl₂,CdCl₂, CaCl₂,MgCl₂,MnCl₂,LiCl,BaCl₂,PbCl₂,CrCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。

2)根据4-芘基-8-羟基喹啉金属阳离子响应的荧光光谱特征，将尺寸为200nm 的单分散乳胶微球乳液为打印墨滴，以六边形、五边形、四边形、三角形的3D结构光子晶体组成阵列，以此光子晶体微芯片进行检测分析。

3)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备粒径(200nm)的乳胶微球。

4)将步骤3)所制备单分散乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3：2)溶液。

5)使用掩膜版和光刻技术制备具有亲水-疏水图案化的基材作为打印基底。亲水区域图案为六边形、五边形、四边形和三角形组成的间距为30微米的点阵阵列。

6)以步骤4)中所配制的溶液为墨水，导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。

将打印机与电脑进行控制连接，在电脑上设计间距为30微米的点阵，每行分别设置为灰、蓝、黄、红的不同颜色。用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在步骤5)获得的图案化基底表面，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得具有多种3D形貌的光子晶体微阵列芯片。

7)配制浓度为1.0mM的4-芘基-8-羟基喹啉乙醇溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入4-芘基-8-羟基喹啉乙醇溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透) 提出平方，室温下自然晾干。

8)在紫外灯(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在405nm、480nm、 505nm、535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

9)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染，点染后的芯片仍然在相同的测试条件下，用荧光扫描仪对芯片在405nm、480nm、505nm、 535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

10)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“4-芘基-8- 羟基喹啉”多种3D形貌光子晶体上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺, Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上14种金属阳离子的化学相似性结果符合元素化学理论，同时与实施例1中所得的14种金属阳离子的化学相似性相符合。

11)荧光化学传感器“4-芘基-8-羟基喹啉”在图2中所制备的多禁带光子晶体上，对12种大同地区的地下水样品中的金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，12种大同地区的地下水样品检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组。

实施例3

1)选择丹磺酰-三聚乙二胺为化学传感器，分别测量丹磺酰-三聚乙二胺在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃,FeCl₂,CoCl₂,NiCl₂,CuCl₂,ZnCl₂,HgCl₂, CdCl₂,CaCl₂,MgCl₂,MnCl₂,LiCl,BaCl₂,PbCl₂,CrCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。

2)根据丹磺酰-三聚乙二胺金属阳离子响应的荧光光谱特征，将尺寸为150nm 的单分散乳胶微球乳液为打印墨滴，以五边形、四边形、三角形的3D结构光子晶体组成阵列，以此光子晶体微芯片进行检测分析。

3)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备粒径(150nm)的乳胶微球。

4)将步骤3)所制备单分散乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3：2)溶液。

5)使用掩膜版和光刻技术制备具有亲水-疏水图案化的基材作为打印基底。亲水区域图案为六边形、五边形、四边形和三角形组成的间距为30微米的点阵阵列。

6)以步骤4)中所配制的溶液为墨水，导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。将打印机与电脑进行控制连接，在电脑上设计间距为30微米的点阵。用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在步骤5)获得的图案化基底表面，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得具有多种3D形貌结构的光子晶体微阵列芯片。

7)配制浓度为1.0mM的丹磺酰-三聚乙二胺的四氢呋喃溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入丹磺酰-三聚乙二胺四氢呋喃溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

8)在紫外灯(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在405nm、480nm、 505nm、535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

9)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染，点染后的芯片仍然在相同的测试条件下，用荧光扫描仪对芯片在405nm、480nm、505nm、535 nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

10)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“8-喹啉醇”多禁带光子晶体上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺, Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析 (LDA)，14种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上14种金属阳离子的化学相似性结果符合元素化学理论，同时与实施例1中所得的14种金属阳离子的化学相似性相符合。

11)荧光化学传感器“丹磺酰-三聚乙二胺”在步骤6)中所制备的多禁带光子晶体上，对12种大同地区的地下水样品中的金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，12种大同地区的地下水样品检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组。

实施例4

1)选择2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉为化学传感器，分别测量2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉在四氢呋喃(THF)溶液中对AlCl₃,FeCl₂,CoCl₂, NiCl₂,CuCl₂,ZnCl₂,HgCl₂,CdCl₂,CaCl₂,MgCl₂,MnCl₂,LiCl,BaCl₂,PbCl₂, CrCl₂金属阳离子响应的荧光光谱。

2)根据2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉对金属阳离子响应的荧光光谱特征，将尺寸为150nm的单分散乳胶微球乳液为打印墨滴，以六边形、五边形、四边形、三角形的3D结构光子晶体组成阵列，以此光子晶体微芯片进行检测分析。

3)通过嵌段乳液聚合准备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，同时利用表面活性剂(十二烷基磺酸钠)调节与控制制备粒径(300nm)的乳胶微球。

4)将步骤3)所制备单分散乳胶微球乳液分别配制成质量浓度为0.5％的水/乙二醇(质量比为3：2)溶液。

5)使用掩膜版和光刻技术制备具有亲水-疏水图案化的基材作为打印基底。亲水区域图案为六边形、五边形和四边形和三角形组成的间距为30微米的点阵阵列。

6)以步骤4)中所配制的溶液为墨水，导入爱普生7880C多喷头喷墨打印机。将打印机与电脑进行控制连接，在电脑上设计间距为30微米的点阵。用电脑控制将不同粒径的乳胶液微液滴有序排列在步骤5)获得的图案化基底表面，室温下封闭阴凉处自然晾干后，在基底上便制得具有多种3D形貌的光子晶体微阵列芯片。

7)配制浓度为1.0mM的2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉的四氢呋喃溶液，将步骤5)所制备的光子晶体芯片浸入2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉的四氢呋喃溶液5秒钟后(完成完全毛细渗透)提出平方，室温下自然晾干。

8)在紫外灯(365nm)激发下，用荧光扫描仪对芯片分别在405nm、480nm、 505nm、535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

9)用点样器在芯片相应位置上进行不同检测物的点染，点染后的芯片仍然在相同的测试条件下，用荧光扫描仪对芯片在405nm、480nm、505nm、 535nm、570nm和605nm波长的滤光片下进行荧光成像与强度记录。

10)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。荧光化学传感器“8-喹啉醇”多禁带光子晶体上，对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺, Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析 (LDA)，14种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被100％完全辨别与分组。经过多级分组分析(HCA)，得到以上14种金属阳离子的化学相似性结果符合元素化学理论，同时与实施例1中所得的14种金属阳离子的化学相似性相符合。

11)荧光化学传感器“2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉”在步骤6)中所制备的多禁带光子晶体上，对12种大同地区的地下水样品中的金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，12种大同地区的地下水样品检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组。

Claims (10)

1.本发明开发了一种通用性的用于高效多底物检测与分析的具有多种3D形貌光子晶体微芯片，其特征是：利用精细喷墨打印与聚合物乳胶微球快速自组装技术，在具有亲水-疏水图案化的基材表面，制备成阵列排列的多种3D形貌光子晶体点阵组成的芯片，通过简单旋涂或浸涂将单一荧光化学传感器附着至光子晶体芯片；利用3D形貌光子晶体表面分布的多种光子禁带，高效选择性光调控性与慢光子效应荧光放大效果，实现普通传统化学传感器响应性的响应灵敏度与多底物识别度大幅提升；结合多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测；本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。

2.根据权利要求1所述的精细喷墨打印制备光子晶体芯片，其特征是：通过嵌段共聚乳液聚合制备聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)的聚合物纳米乳胶微粒，通过喷墨打印聚合物乳液，利用具有亲水-疏水图案化性质的基材，利用聚丙烯酸-聚丙烯酸甲酯(壳)-聚苯乙烯(核)聚合物乳胶微球在基材亲水性区域的选择性快速自组装技术，实现多种3D形貌光子晶体阵列芯片。

3.根据权利要求1或2所述的精细喷墨打印制备的3D形貌光子晶体芯片，其特征是：本发明光子晶体芯片拥有多种具有不同3D形貌(圆形，六边形，五边形，四边形，三角形等)光子晶体组成的多行多列阵列芯片，芯片上不同光子晶体的3D形貌及其微观结构可以设计与调整。

4.根据权利要求1或3所述的多禁带光子晶体芯片，其特征是：在检测前，通过简单旋涂或浸涂将单一荧光化学传感器附着至光子晶体芯片。

5.根据权利要求书1所述的方法，其特征是：所述的承印物是具有亲水-疏水图案化修饰后的表面。修饰的图案化可以是但不限于是由圆形、六边形、五边形、四边形、三角形等图案排列组合形成的阵列；基底材料可以是但不限于是硅片、玻璃片、石英片、铁片、铜片、PDMS膜、PET薄膜、PS薄膜、PU薄膜、PI薄膜、铝片、氧化铝片中的一种。

6.根据权利要求书1所述的方法，其特征是：所述3D形貌光子晶体像素点是随着纳米材料组装液中溶剂的蒸发，液膜选择性的吸附并沉积在亲水-疏水图案化基材的亲水图案区域，从而使得纳米颗粒自组装规则排布的3D形貌。

7.根据权利要求1或4所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：通过多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等方法，对光子晶体微芯片上多底物响应信号进行统计处理，实现对所检测的底物识别与分组分析。

8.根据权利要求1，4或5所述的高效多底物检测与分析的光子晶体微芯片，其特征是：本发明的3D形貌光子晶体微芯片与其多底物检测分析技术已经成功实现单一“4-芘基-8-羟基喹啉”或“8-喹啉醇”或“丹磺酰-三聚乙二胺”荧光化学传感器对Al³⁺,Fe²⁺,Co²⁺,Ni²⁺,Cu²⁺,Zn²⁺,Hg²⁺,Cd²⁺,Mg²⁺,Mn²⁺,Li⁺,Ba²⁺,Pb²⁺,Cr²⁺等多种不同金属阳离子的检测与识别；也实现了单一“2-(3-氰基-4-对氰基苯乙烯基)-卟啉”荧光化学传感器与F^-,Cl^-,Br^-,I^-,NO₃ ^-,ClO₄ ^-,HCO₃ ^-,HSO₃ ^-,HPO₃ ^2-,SO₄ ^2-,AcO^2-,CO₃ ^2-等12种不同酸根阴离子实施检测与识别。

9.根据权利要求1，4，5或6所述的高效多底物检测与分析的3D光子晶体微芯片，其特征是：利用3D形貌光子晶体表面分布的多种光子禁带的高效选择性光调控性与慢光子效应荧光放大效果，对普通传统化学传感器响应性的响应灵敏度与多底物识别度大幅提升，以实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测。

10.根据权利要求1，4，5或6所述的高效多底物检测与分析的3D形貌光子晶体微芯片，其特征是：本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。

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