CN113740422A - 基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器及其制作方法，包括聚酰亚胺柔性衬底，其上方溅射有一层氧化锌压电薄膜，氧化锌压电薄膜的上方蒸镀有一对叉指换能器，一对叉指换能器的中间区域蒸镀有叉指谐振器，叉指谐振器的上方溅射有一层二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜上附着有单层石墨烯，然后核酸适配体通过含有芳香环结构的链接分子锚固在石墨烯的表面，完成生物功能化修饰；其中一端的叉指换能器用于激发声表面波，另外一端的叉指换能器用于接收声表面波，少量待测液滴在中心位置处，随着待测液中生物目标分子浓度的变化，声表面波的谐振频率会发生相应的改变，能完成多种生物标记物的检测，柔性声表面波具有良好的生物相容性。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器及其制作方法。
背景技术
随着微纳制造技术和柔性电子技术的不断发展，人们对于用于检测各种生物标记物的生物传感器的微型化、快速化、集成化、经济化的要求越来越高，基于核酸适配体的声表面波生物传感器能够检测多种生物标记物，现有的声表面波生物传感器主要通过监测谐振频率的改变来感知待测液滴中生物标志物浓度的变化。但是传统的生物传感器主要基于刚性基底，无法应对基于汗液、泪液、以及唾液的非侵入式采样检测。
因此，如何发明一种顺应性好，可贴合皮肤表面的柔性生物传感器是一个极其重要的问题，现有柔性声表面波技术可以实现物理传感器，但是鲜有结合核酸适配子以及石墨烯的生物传感器。
发明内容
为了突破上述柔性声表面波技术的局限性，本发明的目的在于提供一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器及其制作方法，能够实现多种生物标记物的快速检测，可以应对基于汗液、泪液、以及唾液的非侵入式采样检测场景，集成度高、便携性好、样本需求少。
本发明是通过以下技术方案来实现：
1.一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，包括衬底，衬底表面设置有一层压电薄膜，压电薄膜的表面设置有叉指谐振器和两个叉指换能器，叉指谐振器位于两个叉指换能器之间，叉指谐振器的表面设置有二氧化硅薄膜，二氧化硅薄膜的表面附着有单层石墨烯，核酸适配体通过含有芳香环结构的链接分子锚固在石墨烯的表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述衬底为柔性衬底。
3.根据权利要求2所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述柔性衬底为聚酰亚胺、聚乙烯醇或聚酯。
4.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述压电薄膜为氧化锌或氮化铝压电薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述叉指换能器的指条宽度2～10微米，并与相邻两个指条的间距等宽，数量20～40对，间距为整数倍波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述二氧化硅薄膜的厚度为300～500纳米。
7.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述的含有芳香环结构的链接分子为1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯。
8.一种权利要求1-7任一项所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在柔性衬底的表面沉积压电薄膜；
步骤2、在压电薄膜的表面沉积一对叉指换能器，同时在一对叉指换能器之间沉积叉指谐振器；
步骤3、在叉指谐振器的表面沉积二氧化硅薄膜；
步骤4、在二氧化硅薄膜的表面附着单层石墨烯；
步骤5、核酸适配体通过含有芳香环结构的链接分子(1-Pyrenebutyric acid N-hydroxysuccinimide ester，PASE)锚固在石墨烯的表面，得到基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器。
9.根据权利要求8所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中核酸适配体通过5’端修饰的氨基基团与PASE分子上的酯基集团发生缩合反应共价链接到单层石墨烯的表面，完成生物功能化修饰。
10.根据权利要求8所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤1和步骤3均采用磁控溅射工艺沉积压电薄膜和二氧化硅薄膜；
步骤2采用电子束蒸发工艺沉积叉指换能器和叉指谐振器。
与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：
本发明提供的一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器，包括柔性衬底，柔性衬底的表面设置压电薄膜，压电薄膜的上方设有一对叉指换能器，一对叉指换能器的中间区域蒸镀有叉指谐振器，对一端的叉指换能器施加以经功率放大器放大后的正弦交变电压，用于激发声表面波，另外一端的叉指换能器用于接收声表面波并且连接到示波器以检测谐振频率，随着待测液中生物目标分子浓度的变化，生物目标分子与核酸适配体的特异性结合会导致声表面波的谐振频率发生相应的改变。该器件通过检测频率的变化来感知待测液中生物标记物的浓度。该生物传感器能完成多种生物标记物的检测，可应用于多种场景，柔性声表面波具有良好的生物相容性。生物传感器集成度高、便携性好、样本需求少、成本低、生物相容性好，能够实时精准的检测多种生物标记物。
进一步，叉指换能器和叉指谐振器沉积在压电薄膜的上面，氧化锌压电薄膜溅射在柔性衬底的上面，因此，整个器件可以实现柔性可变，顺应性好，可贴合皮肤表面，能够应对多种基于汗液、泪液、以及唾液的非侵入式采样检测场景。同时，叉指谐振器能够有效增强检测信号，二氧化硅薄膜阻隔了待测液和叉指谐振器，防止叉指谐振器被待测液腐蚀。
附图说明
图1为本发明石墨烯生物传感器的结构示意图；
图2为本发明石墨烯生物传感器的局部正视图。
图中：1、柔性衬底；2、压电薄膜；3、叉指换能器；4、叉指谐振器；5、二氧化硅薄膜；6、单层石墨烯；7、含有芳香环结构的链接分子；8、核酸适配体。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。
参照图1和2，一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器，包括柔性衬底1，柔性衬底1的上表面溅射有一层压电薄膜2，压电薄膜2的上方蒸镀有一对叉指换能器3，一对叉指换能器3的中间区域蒸镀有叉指谐振器4，叉指谐振器4的上方溅射有一层二氧化硅薄膜5，二氧化硅薄膜上附着有单层石墨烯6，然后核酸适配体8通过含有芳香环结构的链接分子7锚固在石墨烯的表面，完成生物功能化修饰。
所述柔性衬底为聚酰亚胺柔性衬底，其材质为苯型聚酰亚胺(PI)，聚乙烯醇(PVA)或聚酯(PET)。
薄膜的厚度为厚度100～300微米。
压电薄膜2为氧化锌压电薄膜或氮化铝压电薄膜。
采用磁控溅射镀膜的工艺沉积在柔性衬底1的上面，氧化锌压电薄膜的厚度为2～4微米。
所述叉指换能器3采用电子束蒸发镀膜的工艺沉积在氧化锌压电薄膜2的上面，其材质为80～100纳米厚的金属电极，叉指换能器3的指条宽度2～10微米，并与相邻两个指条的间距等宽，数量20～40对，间距为整数倍波长。
所述的叉指谐振器4通过电子束蒸发镀膜的工艺沉积在氧化锌压电薄膜2的表面，尺寸参数均与一对叉指换能器3相同，位于其中间位置处。
参照图2，二氧化硅薄膜5是通过磁控溅射镀膜的工艺沉积在叉指谐振器4的上面，厚度为300～500纳米。
所述的单层石墨烯6通过过度转移法附着到二氧化硅薄膜5的上面。
含有芳香环结构的链接分子7为1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯(1-Pyrenebutyricacid N-hydroxysuccinimide ester，PASE),该分子含有的芘基结构会以非共价π-π键作用的形式不可逆地堆叠在单层石墨烯6表面。
所述的核酸适配体8通过5’端修饰的氨基基团与PASE分子上的酯基集团发生的缩合反应共价链接到单层石墨烯6的表面，完成生物功能化修饰。
上述基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、采用磁控溅射在柔性衬底的表面沉积压电薄膜；
步骤2、采用电子束蒸发工艺在压电薄膜的表面沉积一对叉指换能器，同时在一对叉指换能器之间沉积叉指谐振器；
步骤3、采用磁控溅射在叉指谐振器的表面沉积二氧化硅薄膜5；
步骤4、采用过度转移法在二氧化硅薄膜5的表面附着单层石墨烯6；
步骤5、核酸适配体8通过含有芳香环结构的链接分子7锚固在石墨烯的表面，完成生物功能化修饰，得到基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器。
本发明基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的工作原理如下：
首先，将少量待测液滴在中心位置单层石墨烯6上，待测液可为含有生物标记物的汗液，泪液以及唾液等。
其次，对一端的叉指换能器3施加以经功率放大器放大后的正弦交变电压，用于激发声表面波，另外一端的叉指换能器3用于接收声表面波并且连接到示波器以检测谐振频率，随着待测液中生物目标分子浓度的变化，生物目标分子与核酸适配体的特异性结合会导致声表面波的谐振频率发生相应的改变。该器件通过检测频率的变化来感知待测液中生物标记物的浓度。
本发明通过叉指电极，氧化锌压电薄膜2，聚酰亚胺柔性衬底1以及二维材料单层石墨烯6的集成制造工艺，实现了整个器件的柔性可变，顺应性好，可贴合皮肤表面，能够应对多种基于汗液、泪液、以及唾液的非侵入式采样检测场景。同时，处于中间位置的叉指谐振器4能够有效增强检测信号，二氧化硅薄膜5阻隔了待测液和叉指谐振器4，防止叉指谐振器4被待测液腐蚀。本发明采用的微纳制造工艺，大大减少了器件的体积，与现有传统设备相比集成度高、便携性好、样本需求少、成本低、生物相容性好，能够实时精准的检测多种生物标记物。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，包括衬底(1)，衬底表面设置有一层压电薄膜(2)，压电薄膜(2)的表面设置有叉指谐振器(4)和两个叉指换能器(3)，叉指谐振器(4)位于两个叉指换能器(3)之间，叉指谐振器(4)的表面设置有二氧化硅薄膜(5)，二氧化硅薄膜的表面附着有单层石墨烯(6)，核酸适配体(8)通过含有芳香环结构的链接分子(7)锚固在石墨烯的表面。
2.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述衬底为柔性衬底(1)。
3.根据权利要求2所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述柔性衬底为聚酰亚胺、聚乙烯醇或聚酯。
4.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述压电薄膜(2)为氧化锌或氮化铝压电薄膜。
5.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述叉指换能器(3)的指条宽度2～10微米，并与相邻两个指条的间距等宽，数量20～40对，间距为整数倍波长。
6.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述二氧化硅薄膜(5)的厚度为300～500纳米。
7.根据权利要求1所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器，其特征在于，所述的含有芳香环结构的链接分子(7)为1-芘丁酸N-羟基琥珀酰亚胺酯。
8.一种权利要求1-7任一项所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、在柔性衬底(1)的表面沉积压电薄膜(2)；
步骤2、在压电薄膜的表面沉积一对叉指换能器(3)，同时在一对叉指换能器之间沉积叉指谐振器(4)；
步骤3、在叉指谐振器的表面沉积二氧化硅薄膜(5)；
步骤4、在二氧化硅薄膜(5)的表面附着单层石墨烯(6)；
步骤5、核酸适配体(8)通过含有芳香环结构的链接分子(7)(1-Pyrenebutyric acidN-hydroxysuccinimide ester，PASE)锚固在石墨烯的表面，得到基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器。
9.根据权利要求8所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤5中核酸适配体(8)通过5’端修饰的氨基基团与PASE分子上的酯基集团发生缩合反应共价链接到单层石墨烯的表面，完成生物功能化修饰。
10.根据权利要求8所述的一种基于核酸适配体的柔性声表面波石墨烯生物传感器的制备方法，其特征在于，步骤1和步骤3均采用磁控溅射工艺沉积压电薄膜和二氧化硅薄膜；
步骤2采用电子束蒸发工艺沉积叉指换能器和叉指谐振器。
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