CN112816106B - 一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于生物传感器技术领域；具体为一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器及其制备方法，本发明解决了传统磁弹性传感器柔性差、灵敏度低的问题，以及现有磁弹性传感器响应检测方法复杂、抗干扰能力和准确性较差的缺点；生物传感器的制备原料包括铽镝铁粉末、液体石蜡和线性三嵌共聚物，通过线性三嵌共聚物均匀复合掺杂铽镝铁粉末制备铽镝铁柔性薄膜，之后依次制备表面氨基化的铽镝铁柔性薄膜、抗体修饰后的铽镝铁薄膜，再对抗体修饰后铽镝铁薄膜的非特异性位点封闭处理；本发明将大尺寸的超磁致伸缩材料铽镝铁应用于微型化便携式生物传感器，通过测量磁导率或者阻抗变化量实现对待测物的检测，提高了信号测试的准确度和系统稳定性。

Description

一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及生物传感器技术领域，具体为一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器及其制备方法。

背景技术

目前为止，磁弹性生物传感器的制备都是以铁镍合金、镍钴合金等刚性金属合金材料为基底，而这类磁弹性传感器的制备过程需要昂贵的大型仪器，且存在不可再生、难降解、柔性差、成本高、制备工艺复杂等问题。现阶段的磁弹性传感器，通常都是通过矢量网络分析仪测量磁致伸缩材料在检测待测物前后的共振频率变化来进行定量检测，检测方法单一、设备昂贵、耗时长、测试步骤复杂且抗干扰能力较差，外界微小振动对测量准确度和系统稳定性的影响较大。因此，亟需探索新型的磁弹性传感器柔性基底材料以及信号测试方法。

当今世界具有较佳磁致伸缩特性和实用价值的磁致伸缩材料是Tb-Dy-Fe系合金，被评为未来较有发展潜力的新材料之一。铽镝铁（TbDyFe）合金是一种新型的稀土超磁致伸缩材料，其室温下的磁致伸缩应变量（磁致伸缩系数）之大是以往任何场致伸缩材料所无法比拟的。它比传统的镍钴（Ni-Co）等磁致伸缩合金的应变量大几十倍，是电致伸缩材料的五倍以上，可高效地实现电能转换成机械能，传输出巨大的能量。但是目前铽镝铁合金通常以块状或者柱状形式用于制造线性马达、伺服阀、强力液压泵、高速阀门、燃油喷射系统（汽车发动机）等大型仪器，由于铽镝铁粉末的粒径较大，不易实现均匀掺杂制备复合薄膜，无法应用于微型便携的生物传感器中。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器及其制备方法，目的是基于铽镝铁材料制备出具有良好柔性和生物兼容性的磁弹性薄膜生物传感器。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，包括以下成分的制备原料：铽镝铁粉末、液体石蜡、线性三嵌共聚物，所述铽镝铁粉末、液体石蜡、线性三嵌共聚物的质量比为：1:2.5-3.5:1-2。

优选的，所述线性三嵌共聚物为苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物。

更优的，所述铽镝铁粉末、液体石蜡、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物的质量比为1:3:1。

一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）制备铽镝铁流体：将铽镝铁粉末与液体石蜡混合，分散均匀后，得到铽镝铁流体；

2）制备铽镝铁柔性薄膜：将铽镝铁流体和线性三嵌共聚物混合均匀，在容器中压平整后烘干制成铽镝铁柔性薄膜。

3）在铽镝铁柔性薄膜表面蒸镀厚度为30-50nm的AuNPs颗粒，然后将其浸入40mM巯基乙胺溶液室温下避光孵育12h，干燥后得到表面氨基化的铽镝铁柔性薄膜；

4）将表面氨基化的铽镝铁薄膜浸入活化的抗体溶液中37℃条件下孵育1h，取出冲洗并干燥得到表面修饰抗体的铽镝铁薄膜；

5）对抗体修饰后铽镝铁薄膜的非特异性位点封闭处理30-40min，之后清洗并干燥得到基于铽镝铁材料的柔性磁弹性薄膜生物传感器。

优选的，步骤2中所述的容器为氧化铝坩埚。

优选的，步骤2所述的烘干的温度为225℃，烘干的时间为30min。

优选的，步骤4所述的活化的抗体溶液的制备方法是将抗体溶液与含有4mg/mlEDC- 4mg/ml NHS的溶液在室温下混合30min，将羧基活化为NHS酯，得到活化的抗体溶液。

优选的，步骤5所述的封闭处理是采用0.1%牛血清蛋白对抗体修饰后铽镝铁薄膜的非特异性位点封闭处理30min。

优选的，步骤2所述的铽镝铁柔性薄膜形状为方形或圆形。

所述生物传感器的工作原理：

基于铽镝铁材料的磁弹效应，柔性磁弹性薄膜生物传感器在应力（应变）的作用下，其磁性会随之改变。由于磁性材料的应力状态与其内部的磁畴结构有着密切关系，而磁畴结构的变化将直接导致材料磁场性能的变化，利用磁弹效应可以通过测量磁性材料的磁场性能变化进而测得结构的应力状态变化，而生物分子的结合会引起表面应力的改变，因此，生物分子测量问题可以转化为磁场性质测量问题。传感器表面可以被生物敏感层（例如抗体）所修饰，能够特异性吸附对应的待测物分子。根据公式（1），当对应的待测物被吸附于传感器表面上时，导致表面应力σ的改变，进而导致其磁导率μ的变化。

（1）

式中，

表示磁导率的变化，

表示在应力作用下的磁导率，

表示初始磁致伸缩系数，μ_H表示无应力时的磁导率，σ表示应力。

和μ_H为常数，所以dμ和σ之间有很好的线性关系。磁导率μ的变化引起的铁磁材料的的磁阻RM的变化，而RM变化又引起阻抗Z的变化，这样就可以将应力的变化转变为电量的变化，即待测生物信息转化为可测量的电磁信号，通过测量磁导率或者阻抗变化量可实现对待测物浓度的检测。本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

1、本发明利用超磁致伸缩材料铽镝铁和柔性聚合物材料混合制备具有磁弹效应的柔性薄膜生物传感器，突破材料特性，改进传感器结构，有效克服了传统磁弹性传感器柔性差、灵敏度低、难降解等问题；避免了传统磁弹性传感器只能通过测试共振频率改变量实现定性定量检测的繁琐和误差，可通过测量磁导率或者阻抗变化量实现对待测物的检测，提高了信号测试的准确度和系统稳定性。它具有微型便携、灵敏度高、稳定性好、生物兼容性和力学性能优良、结构更加灵活等优点，可根据不同用途改良制备材料和方法，适用于不同应用场合，可广泛应用于生物检测领域。

2、本发明利用柔性聚合物材料复合掺杂超磁致伸缩材料铽镝铁，制备柔性磁弹性薄膜，开创了铽镝铁合金在微型化便携式生物传感器领域的应用，实现了同时兼备良好的柔性、生物兼容性和优良磁弹效应的磁弹性薄膜生物传感器，优化铽镝铁材料和柔性聚合物基底材料的种类和掺杂比例可进一步提高力学性能以及传感器的灵敏度。本发明的制备方法简单易行、成本低廉、可控性强，可实现微型化、低成本、批量化生产。

附图说明

图1为本发明所述铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器制备方法示意图；

图2为本发明所述SEBS掺杂铽镝铁后得到的柔性磁弹性薄膜结构图；

图3为表面生物功能化的铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器的结构图。

图中：1为铽镝铁颗粒、2为石蜡溶液、3为铽镝铁流体、4为SEBS、5为磁弹性薄膜、6为纳米金颗粒、7为待测物抗体、8为待测物。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，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。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其主要的制备原料为：铽镝铁颗粒（TbDyFe₂）、液体石蜡、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）；其中，铽镝铁颗粒、液体石蜡、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物的质量比为1:3:1。

一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器的制备方法，包括下述步骤：

1）取一个氧化铝坩埚，将其放在平整的桌面上。

2）制备铽镝铁流体：取铽镝铁颗粒与液体石蜡质量比为1：3置于烧杯中，通过超声波粉碎机分散均匀，得到均匀的铽镝铁流体。

3）制备铽镝铁柔性薄膜：将铽镝铁流体和苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）以质量比为4：1混合置于氧化铝坩埚中，用搅拌棒搅拌均匀，并将混合物在氧化铝坩埚中用玻璃片压平整，然后将其放在箱式炉225℃中烘烤30min，带上隔热手套，将其取出并冷却放置五分钟，即可得到铽镝铁柔性薄膜。

4）将铽镝铁柔性薄膜裁剪为4 mm *4 mm。

5）在铽镝铁柔性薄膜表面蒸镀厚度为50nm的AuNPs颗粒，然后将其浸入40mM巯基乙胺溶液室温下避光孵育15h，干燥后得到表面氨基化的铽镝铁柔性薄膜；

6）将抗体溶液与含有4mg/ml EDC- 4mg/ml NHS的溶液在室温下混合30min，将羧基活化为NHS酯，得到活化的抗体溶液。

7）将表面氨基化的铽镝铁薄膜浸入活化的抗体溶液中37℃条件下孵育1h，取出用PBS冲洗5次并干燥得到表面修饰抗体的铽镝铁薄膜。

8）采用0.1%牛血清蛋白（BSA）对非特异性位点封闭处理30min，再用PBS冲洗5次并干燥，即可得到基于铽镝铁材料的柔性磁弹性薄膜生物传感器。

利用上述方法制备修饰基质金属蛋白酶-3（MMP-3）抗体的铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，用于检测骨性关节炎标志物MMP-3。配制10

的MMP-3抗原样本，选取一个修饰MMP-3抗体的柔性磁弹性薄膜生物传感器，测量传感器检测MMP-3抗原前后的阻抗和磁导率，计算阻抗变化量和磁导率变化量分别为-90KΩ和-3.1H/m，远大于空白对照实验中传感器本身的测量误差-30KΩ和-0.1H/m，表明通过测量传感器检测抗原前后的阻抗和磁导率变化量可实现对待测物的定性定量检测。

本实施例利用超磁致伸缩材料铽镝铁和柔性聚合物材料混合制备具有磁弹效应的柔性薄膜生物传感器，突破材料特性，改进传感器结构，有效克服了传统磁弹性传感器柔性差、灵敏度低、难降解等问题，避免了传统磁弹性传感器只能通过测试共振频率改变量实现定性定量检测的繁琐和误差，可通过测量磁导率或者阻抗变化量实现对待测物的检测，提高了信号测试的准确度和系统稳定性。它具有微型便携、灵敏度高、稳定性好、生物兼容性和力学性能优良、结构更加灵活等优点，可根据不同用途改良制备材料和方法，适用于不同应用场合，可广泛应用于生物检测领域。

本发明利用柔性聚合物材料复合掺杂超磁致伸缩材料铽镝铁，制备柔性磁弹性薄膜，开创了铽镝铁合金在微型化便携式生物传感器领域的应用，实现了同时兼备良好的柔性、生物兼容性和优良磁弹效应的磁弹性薄膜生物传感器，优化铽镝铁材料和柔性聚合物基底材料的种类和掺杂比例可进一步提高力学性能以及传感器的灵敏度。本发明的制备方法简单易行、成本低廉、可控性强，可实现微型化、低成本、批量化生产。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (6)

1.一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，制备原料由以下成分组成：铽镝铁粉末、液体石蜡、线性三嵌共聚物，所述线性三嵌共聚物为苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物；所述铽镝铁粉末、液体石蜡、苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物的质量比为1:3:1；铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）制备铽镝铁流体：将铽镝铁粉末与液体石蜡混合，分散均匀后，得到铽镝铁流体；

2）制备铽镝铁柔性薄膜：将铽镝铁流体和线性三嵌共聚物混合均匀，在容器中压平整后烘干制成铽镝铁柔性薄膜；

3）在铽镝铁柔性薄膜表面蒸镀厚度为30-50nm的AuNPs颗粒，然后将其浸入40mM巯基乙胺溶液室温下避光孵育12-15h，干燥后得到表面氨基化的铽镝铁柔性薄膜；

4）将表面氨基化的铽镝铁薄膜浸入活化的抗体溶液中37℃条件下孵育1h，取出冲洗并干燥得到表面修饰抗体的铽镝铁薄膜；

5）对抗体修饰后铽镝铁薄膜的非特异性位点封闭处理30-40min，之后清洗并干燥得到基于铽镝铁材料的柔性磁弹性薄膜生物传感器。

2.根据权利要求1所述的一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，步骤2中所述的容器为氧化铝坩埚。

3.根据权利要求1所述的一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，步骤2所述的烘干的温度为225℃，烘干的时间为30min。

4.根据权利要求1所述的一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，步骤4所述的活化的抗体溶液的制备方法是将抗体溶液与含有4mg/ml EDC- 4mg/ml NHS的溶液在室温下混合30min，将羧基活化为NHS酯，得到活化的抗体溶液。

5.根据权利要求1所述的一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，步骤5所述的封闭处理是采用0.1%牛血清蛋白对抗体修饰后铽镝铁薄膜的非特异性位点封闭处理30 min。

6.根据权利要求1所述的一种铽镝铁柔性磁弹性薄膜生物传感器，其特征在于，步骤2所述的铽镝铁柔性薄膜形状为方形或圆形。

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