CN114044486A - 一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜、制备方法及其应用 - Google Patents

一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜、制备方法及其应用 Download PDF

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Abstract

一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜、制备方法及其应用，属于手性分子无标记识别技术领域。本方法涉及胶体微球界面组装方法、掩模刻蚀方法、掠射角沉积方法。本发明操作过程简单，低成本，可控性高，通过调节结构的形貌可以调节其手性信号，可以大面积制备手性中空纳米圆台阵列薄膜。此外，制备的手性阵列薄膜经一步简单的翻转操作，可获得具有较强手性响应的倒置手性材料。本发明基于特有的三维空腔，手性中空纳米圆台阵列薄膜可以限域增强手性近场，用于手性传感领域，实现手性半胱氨酸分子的无标记区分识别。本发明为手性微纳结构的制备提供了一种简捷、大面积的方法，为手性分子的无标记区分识别检测提供了一种有效、便捷的思路。

Description

一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜、制备方法及其 应用
技术领域
本发明属于手性分子无标记识别技术领域，具体涉及一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜、制备方法及其在手性分子无标记识别方面的应用。
背景技术
手性是自然界中普遍存在的现象，指一个物质能够与其镜像结构完全对称但又不能与其完全重合[1,2]。手性研究对化学、生命科学、材料学、光学、药学等众多领域的发展具有重要的科学意义和应用价值。人工手性材料因具有较强的圆二色性和旋光色散性，在手性催化、先进光学器件等领域具有巨大的应用前景[3,4]。
随着微纳制备工艺技术的进步，近些年来手性材料领域得到迅速发展。一些传统的制备方法，如电子束刻蚀、聚焦离子束刻蚀、纳米印刷等技术，是制备手性材料的主要方法[5-7]，但需要高昂的制备成本，且制备面积有限，限制了其实际应用。为了更好地转化为实用器件，需要开发低成本而有效率的技术来制备人工手性材料。此外，手性分子的区分识别通常需要其他生物分子的修饰，人工手性材料在无标记手性识别方面的应用仍然很少[8,9]，有待于进一步探究和发展。因此，提出一种低成本可大面积制备可倒置手性材料的方法，并将该材料应用于无标记手性分子传感领域，是非常有意义的。
[1]Hentschel M.；
Figure BDA0003365693330000011
M.；Duan X.Y.；Giessen H.；Liu N.,Sci.Adv2017,3,1-12.
[2]Kuzyk A.；Schreiber R.；Fan Z.；Pardatscher G.；Roller E.M.；Hogele A.；Simmel F.C.；Govorov A.O.；Liedl T.,Nature 2012,483,311-314.
[3]Valev V.K.；Baumberg J.J.；Sibilia C.；Verbiest T.,Adv.Mater 2013,25,2517–2534.
[4]Chen J.Q.；Gao X.S.；Zheng Q.；Liu J.B.；Meng D.J.；Li H.Y.；Cai R.；FanH.Z.；Ji Y.L.；Wu X.C.,ACS.Nano 2021,15,15114-15122.
[5]Liu Z.G.；Xu Y.；Ji C.Y.；Chen S.S.；Li X.P.；Zhang X.D.；Yao Y.G.；Li.J.F.,Adv.Mater 2020,32,1907077.
[6]Kim D.；Yu J.Y.；Hwang I.；Park S.；Demmerle F.；Boehm G.；Amann M.C.；Belkin M.A.；Lee J.,Nano.Lett 2020,20,8032-8039.
[7]Rodrigues S.P.；Cui Y.；Lan S.；Kang L.；Cai W.,Adv.Mater 2015,27,1124-1130.
[8]Liu Y.R.；Wu Z.L.；Kollipara P.S.；Montellano R.；Sharma K.；ZhengY.B.,ACS.Nano 2021,15,6448-6456.
[9]Qu Y.；Bai Y.；Aba T.；Ullah H.；Abudukelimu A.；Huang J.B.；Gou T.；LiJ.；Zhang Z.Y.,J.Phys.Chem.C 2020,124,13912-13919.
发明内容
本发明的目的是提供一种低成本可大面积制备的可倒置手性中空纳米圆台阵列薄膜的方法，并将该手性材料应用于手性分子的无标记区分识别。此外，该方法制备的手性阵列薄膜经一步简单的翻转操作，可获得具有较强手性响应的倒置手性材料。
本方法涉及胶体微球界面组装方法、掩模刻蚀方法、掠射角沉积方法。整个过程操作简单，低成本，可控性高，可以大面积制备手性中空纳米圆台阵列薄膜。通过调节结构的形貌可以调节其手性信号。基于特有的三维空腔，手性中空纳米圆台阵列薄膜可以限域增强手性近场，用于手性传感领域，实现手性半胱氨酸分子的无标记区分识别。此外，通过一步简单的翻转操作，可以制备出倒置的手性材料，也具有较强的手性响应。
本发明所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其步骤如下：
1)在亲水处理的基底上以1000～4000rpm的转速旋涂一层正向光刻胶原液，然后在80～120℃条件下放置1～3小时，得到固化厚度为0.4～2μm的光刻胶薄膜；
2)将疏水的聚苯乙烯微球去离子水乙醇分散液缓慢滴加到去离子水的表面，在气液界面得到聚苯乙烯微球的单分子层，再滴加阴离子表面活性剂，在气液界面获得六方紧密排列的聚苯乙烯微球单分子层，随后将该单分子层转移到步骤1)所获得固化有光刻胶薄膜的基底上；
3)将步骤2)所得的样品进行反应性等离子体刻蚀，光刻胶薄膜由于疏水聚苯乙烯微球的掩膜作用而被刻蚀形成纳米圆台的阵列，随着刻蚀的进行聚苯乙烯微球逐渐变小，在微球未完全消失之前停止刻蚀；然后将得到的样品浸泡于5～25mL甲苯溶液中超声20～60秒，除去上层残余的聚苯乙烯微球，从而在基底上得到纳米圆台光刻胶阵列；
4)在步骤3)所制备的样品上倾斜热沉积一层厚度为15～80nm的银膜，入射角(即倾斜热沉积方向与基底法线夹角)为15°～40°；然后将上述带有银膜的基底沿与基底表面垂直的轴线顺时针或逆时针旋转0°～180°(不包含0°和180°)，再以与上述沉积银膜相同的入射角热沉积一层厚度为15～80nm的金；金和银会有部分区域重合，旋转不同角度，重合区域不同；
5)将步骤4)所制备的基底浸泡于无水乙醇中5～30分钟，去除被金属膜覆盖的光刻胶，冲洗并自然干燥，在基上底得到右旋或左旋手性中空纳米圆台阵列薄膜；
6)将步骤4)所得的样品倒置于另一亲水处理的玻璃基底上，固定二者相对位置关系，缓慢加入无水乙醇至没过样品，浸泡时间为5～30分钟，待位于前一基底上的光刻胶薄膜溶解后除去剩余乙醇，使得到的薄膜结构缓慢平整地落在该另一亲水基底上，自然干燥后再用无水乙醇缓慢冲洗3～5次，从而在另一亲水基底上得到倒置的右旋或左旋手性中空纳米圆台阵列薄膜。
进一步地，
步骤1)中的基底为玻璃片或石英片。
步骤2)中聚苯乙烯微球的直径为0.3～3μm。
步骤2)中疏水聚苯乙烯微球的去离子水乙醇分散液是在1～5mL、浓度为1～20wt％、直径为0.3～3μm的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，超声10～20分钟，然后在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；在离心后得到的聚苯乙烯微球沉淀物中再加入1～3mL去离子水，超声10～20分钟，然后在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；重复上述在离心后得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入去离子水、超声和离心过程4～12次；在离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，超声10～20分钟，再在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；重复在离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入乙醇和去离子水混合液、超声和离心过程4～12次；再在最后离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，超声处理10-60分钟，从而得到疏水的聚苯乙烯微球的去离子水乙醇分散液。
步骤3)中反应性等离子刻蚀的条件为：刻蚀温度20～30℃，氧气流速10～60sccm，刻蚀气压3～10mTorr，刻蚀功率100～300W，刻蚀时间100～300秒。
步骤4)中两次热沉积的真空度均为5×10-4～2×10-4Pa，沉积速度为
Figure BDA0003365693330000031
步骤6)中倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜保持了原结构的形貌，具有较强的手性响应。
本发明各步骤操作简单，所制备的可倒置手性中空纳米圆台阵列薄膜具有大面积、手性响应强等特点。基于该材料特有的三维共振空腔，可以限域增强手性近场，实现手性半胱氨酸分子的无标记区分识别。此外，通过一步简单的翻转操作，可以制备出倒置的手性材料，也具有较强的手性响应。本发明制备的可倒置手性中空纳米圆台阵列薄膜为手性微纳结构的制备提供了一种简捷、大面积的方法，为手性分子的无标记区分识别检测提供了一种有效、便捷的思路。
附图说明
图1是制备倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的流程示意图；其中倾斜沉积方向与基底法线夹角都是30°，即入射角θ＝30°；倾斜沉积银膜时，光刻胶圆台阵列有180°的范围被银覆盖，顺时针或逆时针旋转90°后倾斜沉积金膜时，光刻胶圆台阵列有180°的范围被金覆盖，同时被银和金覆盖的范围为90°。
图2是一对手性中空纳米圆台阵列的扫描电镜(SEM)图片；左侧为左旋纳米圆台结构的SEM，对应实施案例6；右侧为右旋纳米圆台结构，对应实施案例7，其中右上角插图为相应结构的倾斜SEM照片。
图3是(A)不同开口角度的右旋纳米圆台阵列SEM照片，从左到右其开口角度依次为90°、60°和30°，制备过程中分别在倾斜沉积银之后依次顺时针或逆时针旋转了90°、120°和150°。(B)从左到右依次为90°、60°和30°三种不同开口角度的左旋和右旋手性纳米圆台阵列的圆二色谱图，其中黑色的实线是左旋纳米圆台的圆二色谱线，灰色的虚线是右旋纳米圆台的圆二色谱线。如图所示，手性纳米圆台的手性强度与其结构形貌有直接关系，随着开口角度从90°减小至30°，圆二色谱信号强度逐渐减小，说明结构的手性逐渐减弱。
图4是纳米圆台阵列加入手性生物分子探测到的圆二色谱图：其中(A)图是加入L-半胱氨酸分子溶液前后的圆二色谱线位移图；(B)图是加入D-半胱氨酸分子溶液前后的圆二色谱线位移图；(C)图是L-半胱氨酸和D-半胱氨酸的ΔΔλ图，L-半胱氨酸为+3.51，D-半胱氨酸为-3.12，实现了手性对映体的无标记区分识别。
图5是(A)倒置的手性纳米圆台阵列的SEM照片，说明翻转后倒置的手性纳米圆台薄膜保留了其原有的三维结构特征；右上角插图为该结构的截面SEM照片；(B)为该结构的圆二色谱图，具有较强的对称的手性响应。
具体实施方式
实施例1：亲水玻璃片的制备
用玻璃刀将玻璃片裁为长2.5cm、宽1.5cm大小，随后将玻璃片置于过氧化氢与浓硫酸的混合溶液(体积比为3：7)中，在80℃水浴加热条件下加热4小时，随后用去离子水洗涤5次左右，用氮气吹干后，得到亲水玻璃片。
实施例2：光刻胶膜的制备
用台式匀胶机以3000rpm的转速将光刻胶原液(BP212-37S，正向光刻胶，购于北京科华微电子材料有限公司)旋涂到亲水处理过的玻璃片上，转速3000rmp，旋涂时间为30秒，随后将其置于88℃的烘箱中2小时，取出自然冷却至室温，得到固化有1.5μm厚光刻胶薄膜的玻璃基底。
实施例3：聚苯乙烯微球乙醇和去离子水分散液的制备
室温下，滴加3mL去离子水于2mL、5wt％、直径为700nm的聚苯乙烯微球水分散液中，以100％功率超声15分钟，随后以8800rpm转速离心15分钟，吸去上层清液；在下层聚苯乙烯微球沉淀物中再加入3mL去离子水，超声处理15分钟，以8800rpm转速离心15分钟；重复上述在下层聚苯乙烯微球沉淀物中加入去离子水、超声、离心操作5次；随后在下层聚苯乙烯微球沉淀物中加入5mL乙醇和去离子水混合溶液(体积比为1:1)，超声15分钟，随后以8800rpm转速离心15分钟，重复上述在下层聚苯乙烯微球沉淀物中加入无水乙醇和去离子水混合溶液、超声、离心操作5次；在最后一次吸取上层清液后，加入2.5mL乙醇和去离子水混合溶液(体积比为1：1)于下层聚苯乙烯微球沉淀物中，超声60分钟，得到聚苯乙烯微球的去离子水乙醇分散液。
实施例4：六方紧密堆积的单层聚苯乙烯胶体晶体的制备
用型号规格为1mL的医用一次性注射器吸取0.4mL实施例3制备的聚苯乙烯微球(直径700nm)去离子水乙醇分散液，缓慢注射到塑料培养皿中去离子水与空气的界面处，沿培养皿边缘缓慢滴加2滴浓度为9wt％的十二烷基硫酸钠水溶液，随后聚苯乙烯微球形成六方紧密堆积的单层结构。将实施例2中制备的固化有光刻胶的玻璃片倾斜缓慢伸入到液面下，水平捞起紧密堆积的单层微球，放在斜面上干燥，从而得到单层排列紧密堆积的聚苯乙烯胶体晶体的光刻胶薄膜。
实施例5：光刻胶纳米圆台阵列的制备
将上述样品置于各向异性反应性等离子体刻蚀机中，在刻蚀温度为20℃，刻蚀气压10mTorr，氧气流速50sccm，刻蚀功率100W的条件下，刻蚀200秒。在刻蚀过程中，聚苯乙烯微球与其下部的光刻胶同时被刻蚀。随后将结构置于20mL甲苯中超声60秒，除去残留的聚苯乙烯微球，从而在基底上得到光刻胶圆台阵列结构。
实施例6：非对称双层金属的蒸镀方法
将实施例5制备的样品安装在真空蒸发镀膜设备的样品台上，调节入射角(即法线与沉积方向的夹角)为30°，在5×10-4Pa的真空度下热蒸发沉积银，沉积速度
Figure BDA0003365693330000061
，沉积厚度35nm。本次热蒸发沉积后，固定真空蒸发镀膜设备样品台保持不动，将基底沿与基底表面垂直的轴线逆时针旋转90°，在入射角为30°、5×10-4Pa的真空度下热蒸发沉积金，沉积速度
Figure BDA0003365693330000062
，沉积厚度35nm。
实施例7：非对称双层金属的蒸镀方法
将实施例5制备的样品安装在真空蒸发镀膜设备的样品台上，调节入射角(即法线与沉积方向的夹角)为30°，在5×10-4Pa的真空度下热蒸发沉积银，沉积速度
Figure BDA0003365693330000063
，沉积厚度35nm。本次热蒸发沉积后，固定真空蒸发镀膜设备样品台保持不动，将基底沿与基底表面垂直的轴线顺时针旋转90°，在入射角为30°、5×10-4Pa的真空度下热蒸发沉积金，沉积速度
Figure BDA0003365693330000064
，沉积厚度35nm。
实施例8：手性纳米圆台阵列膜的制备
将实施例6和实施例7处理后的基底分别放入无水乙醇中浸泡20分钟，去除光刻胶层。取出自然晾干，分别得到左旋和右旋中空的手性纳米圆台阵列膜。
实施例9：倒置手性纳米圆台阵列膜的制备
将实施例6和实施例7处理后的基底分别倒置于另一亲水处理过的玻璃片上，将二者分别水平放入培养皿中，缓慢滴加无水乙醇直至没过结构，浸泡5分钟以除去光刻胶。随后缓慢移除上层玻璃，吸去培养皿中的无水乙醇，使倒置手性纳米圆台阵列薄膜脱离原玻璃基底，同时平整地落在目标玻璃基底上，自然晾干，再用无水乙醇缓慢冲洗3次，从而在另一亲水基底上分别得到倒置的左旋和右旋手性中空纳米圆台阵列薄膜。
实施例10：手性分子的无标记区分识别
在实施例8的基础上，将生物分子连接到手性结构上，进行生物分子的识别与检测。如图4A所示，将左旋和右旋中空的手性纳米圆台阵列膜分别放置在L-半胱酸溶液(浓度为10-3mol/L)中，和在水溶液中相比较，谱线移动的距离不同，从而对手性分子进行识别。在这里，ΔλL＝6.76nm，ΔλR＝3.25nm，ΔΔλ＝ΔλL-ΔλR＝3.51nm。如图4B所示，将左旋和右旋中空纳米圆台分别放置在D-半胱酸溶液(浓度为10-3mol/L)中，和在水溶液中相比较，谱线移动的距离不同，ΔλL＝6.11nm，ΔλR＝9.23nm，ΔΔλ＝ΔλL-ΔλR＝-3.12nm。通过判断谱线移动距离的差值ΔΔλ判断生物分子的手性(如图4C所示，ΔΔλ为正值时，分子构型为L；ΔΔλ为负值时，分子构型为D)，更加易于检测，该结构有望用于医学领域的检测和其他生物分子的无标记区分识别。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明的方法方案作任何形式上的限制。凡是依据本发明的方法实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同改变与修饰，均落入本发明的保护范围内。

Claims (8)

1.一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其步骤如下：
1)在亲水处理的基底上以1000～4000rpm的转速旋涂一层正向光刻胶原液，然后在80～120℃条件下放置1～3小时，得到固化厚度为0.4～2μm的光刻胶薄膜；
2)将疏水的聚苯乙烯微球去离子水乙醇分散液缓慢滴加到去离子水的表面，在气液界面得到聚苯乙烯微球的单分子层，再滴加阴离子表面活性剂，在气液界面获得六方紧密排列的聚苯乙烯微球单分子层，随后将该单分子层转移到步骤1)所获得固化有光刻胶薄膜的基底上；
3)将步骤2)所得的样品进行反应性等离子体刻蚀，光刻胶薄膜由于疏水聚苯乙烯微球的掩膜作用而被刻蚀形成纳米圆台的阵列，随着刻蚀的进行聚苯乙烯微球逐渐变小，在微球未完全消失之前停止刻蚀；然后将得到的样品浸泡于5～25mL甲苯溶液中超声20～60秒，除去上层残余的聚苯乙烯微球，从而在基底上得到纳米圆台光刻胶阵列；
4)在步骤3)所制备的样品上倾斜热沉积一层厚度为15～80nm的银膜，入射角(即倾斜热沉积方向与基底法线夹角)为15°～40°；然后将上述带有银膜的基底沿与基底表面垂直的轴线顺时针或逆时针旋转0°～180°(不包含0°和180°)，再以与上述沉积银膜相同的入射角热沉积一层厚度为15～80nm的金；金和银会有部分区域重合，旋转不同角度，重合区域不同；
5)将步骤4)所制备的基底浸泡于无水乙醇中5～30分钟，去除被金属膜覆盖的光刻胶，冲洗并自然干燥，在基上底得到右旋或左旋手性中空纳米圆台阵列薄膜；
6)将步骤4)所得的样品倒置于另一亲水处理的玻璃基底上，固定二者相对位置关系，缓慢加入无水乙醇至没过样品，浸泡时间为5～30分钟，待位于前一基底上的光刻胶薄膜溶解后除去剩余乙醇，使得到的薄膜结构缓慢平整地落在该另一亲水基底上，自然干燥后再用无水乙醇缓慢冲洗3～5次，从而在另一亲水基底上得到倒置的右旋或左旋手性中空纳米圆台阵列薄膜。
2.如权利要求1所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其特征在于：步骤1)中的基底为玻璃片或石英片。
3.如权利要求1所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中聚苯乙烯微球的直径为0.3～3μm。
4.如权利要求1所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其特征在于：步骤2)中疏水聚苯乙烯微球的去离子水乙醇分散液是在1～5mL、浓度为1～20wt％、直径为0.3～3μm的聚苯乙烯微球的去离子水分散液中加入1～3mL的去离子水，超声10～20分钟，然后在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；在离心后得到的聚苯乙烯微球沉淀物中再加入1～3mL去离子水，超声10～20分钟，然后在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；重复上述在离心后得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入去离子水、超声和离心过程4～12次；在离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，超声10～20分钟，再在6000～11000rpm转速下离心10～30分钟；重复在离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中加入乙醇和去离子水混合液、超声和离心过程4～12次；再在最后离心得到的聚苯乙烯微球沉淀物中再加入1～5mL体积比为1：1的乙醇和去离子水的混合液，超声处理10-60分钟，从而得到疏水的聚苯乙烯微球的去离子水乙醇分散液。
5.如权利要求1所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其特征在于：步骤3)中反应性等离子刻蚀的条件为刻蚀温度20～30℃，氧气流速10～60sccm，刻蚀气压3～10mTorr，刻蚀功率100～300W，刻蚀时间100～300秒。
6.如权利要求1所述的一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜的制备方法，其特征在于：步骤4)中两次热沉积的真空度均为5×10-4～2×10-4Pa，沉积速度为
Figure FDA0003365693320000021
7.一种可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜，其特征在于：是由权利要求1～6任何一项所述的方法制备得到。
8.权利要求7所述的可倒置的手性中空纳米圆台阵列薄膜在手性分子无标记识别方面的应用。
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