CN115078707A - 一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器及其制备方法；包括柔性基底，柔性基底设有镂空区，柔性基底的一面承载三明治结构薄膜，另一面承载导电层；三明治结构薄膜位于镂空区的部分一面设置有传感层，另一面设置有纳米金层；传感层与导电层位于三明治结构薄膜的同侧；三明治结构薄膜是由上下层的PDMS薄膜和设置在中间的磁性薄膜组成；将生物传感器置于磁场中，本发明在磁场作用下产生表面应力使得薄膜形变更加剧烈，从而实现了生物传感器中的磁力电耦合；均匀磁场的加入使得生物传感器的灵敏度得以提高。

Description

一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器及其制备方法。
背景技术
随着生物微机电技术的发展，微结构在生化传感领域得到了广泛关注与应用。表面应力生物传感器是生物传感器的一种，其可应用于临床医学诊断、生化探测、新药物发现等领域。表面应力生物传感器的检测原理是对传感器进行特定探针修饰可实现待测生物分子的定性分析；待测分子与其对应的探针相结合后传感器敏感部件会产生微小形变，不同浓度的待测分子与探针相结合所产生的应力大小不同，通过检测不同形变的电学信号即可实现对待测分子浓度进行定量分析。
微机械生物传感器因其灵敏度高，重复性好，抗干扰能力强，被广泛应用于医学诊断，因此成为了生物传感领域的研究热点。微机械生物传感器是一种定性检测生物分子的分析设备，生物传感系统由敏感层和转换层组成。来源于氢键、范德华力、静电力或分子间的化学吸附的表面应力使生物传感器的敏感元件发生变形，从而将生物信号转换为物理信号，实现对生物分子的分析。薄膜生物传感器因其高灵敏度、可重复性和抗干扰能力强而成为主要研究目标。
力－磁耦合生物传感器作为一种新型传感设备，可实现人机智能交互，对慢性病等自身健康状况 进行实时监测，是具有重要创新点的科学技术，已经作为各个国家战略性新兴产业，逐渐渗透至医疗 、制药、食品、农业和安全防御等各领域。目前如何在MXene/PDMS复合薄膜上实现生物信号到表面应力与磁作用力的有效转换，以及表面应力与磁作用力的耦合，从根本上提高表面应力生物传感器的灵敏度成为了主要的研究方向。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器及其制备方法。解决目前生物传感器灵敏度低的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。
一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，包括柔性基底，所述柔性基底设有镂空区，柔性基底的一面承载三明治结构薄膜，另一面承载导电层；
三明治结构薄膜位于镂空区的部分一面设置有传感层，另一面设置有纳米金层；所述传感层与导电层位于三明治结构薄膜的同侧；
所述纳米金层上用于修饰抗体；所述抗体上结合有待测蛋白；
所述的三明治结构薄膜是由上下层的PDMS薄膜和设置在上下层PDMS薄膜中间的磁性薄膜组成。
优选的，所述三明治结构薄膜具有纳米金层的一面设置有具有镂空区的柔性基底，所述纳米金层位于镂空区内。
优选的，所述传感层为MXene或碳纳米管薄膜层。
优选的，所述磁性薄膜为四氧化三铁或铽镝铁薄膜材料。
优选的，所述导电层包括第二柔性基底和附着在第二柔性基底上的导电银胶。
一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，包括以下步骤：
1）制备三明治结构薄膜，将三明治结构薄膜转移至柔性基底的一面上；三明治结构薄膜的上表面与柔性基底贴合，在位于镂空区的三明治结构薄膜下表面制备纳米金层；
2）在所述柔性基底的另一面制备导电层；
3）在位于镂空区的三明治结构薄膜上表面制备传感层；
4）将步骤3）制备得到的三明治结构薄膜浸泡在CYS溶液中，以生成胺化自组装单分子膜制备得到生物传感器；
5）将抗体分子修饰到纳米金层上；
6）将待测蛋白与抗体分子结合；
7）将所述的生物传感器置于磁场中，封装测试。
优选的，三明治结构薄膜的制备方法是先将磁性材料在PDMS薄膜上旋涂成磁性薄膜，然后在所述的磁性薄膜上再旋涂一层PDMS薄膜。
优选的，所述制备纳米金层是将转移到柔性基底上的三明治结构薄膜浸泡在氯金酸、葡萄糖、碳酸氢钾混合溶液中12-24h，获得纳米金层。
优选的，将导电银胶印到第二柔性基底上表面得到导电层，然后将第二柔性基底下表面粘贴在承载有三明治结构薄膜的柔性基底的另一面。
优选的，制备传感层的方法是将MXene溶液滴到镂空区。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
抗体和蛋白质特异性结合产生的表面应力使生物传感器发生机械形变，导致生物传感器的转换层上的MXene薄膜的通路改变，进而生物传感器的电阻发生变化，从而实现了将生物信号转化为力信号和电信号的功能。之后，将该生物传感器置入均匀磁场后，四氧化三铁薄膜在磁场作用下产生表面应力，进一步放大了薄膜形变。
本发明通过引入有抗体修饰的蛋白质产生的表面应力增大了PDMS薄膜形变；将生物传感器置于磁场中，四氧化三铁在磁场作用下产生表面应力使得薄膜形变更加剧烈，从而实现了生物传感器中的磁力电耦合；均匀磁场的加入使得生物传感器的灵敏度得以提高。
附图说明
图1为本发明所述的三明治结构薄膜的制备示意图；
图2为本发明的生物传感器剖面图；
图3为本发明的生物传感器纳米金层修饰抗体分子示意图；
图中：1为柔性基底，2为三明治结构薄膜，3为传感层，4为纳米金层，5为导电层，6为抗体分子，7为人血清白蛋白，8为第二柔性基底。
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。
实施例1
参照图2和图3，本实施例公开了一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，包括柔性基底1，柔性基底1设有镂空区，柔性基底1的一面承载三明治结构薄膜2，另一面承载导电层5。其中，柔性基底1的材质为PET，本实施例柔性基底1为圆环状结构，中间为镂空区。三明治结构薄膜2是由上下层的PDMS薄膜和设置在上下层PDMS薄膜中间的磁性薄膜组成，磁性薄膜为四氧化三铁或铽镝铁等磁性薄膜材料。导电层5为导电银胶层。
三明治结构薄膜2位于镂空区的部分一面设置有传感层3，另一面设置有纳米金层4；传感层3与导电层5位于三明治结构薄膜2的同侧；三明治结构薄膜2具有纳米金层4的一面同样也设置有具有镂空区的柔性基底1，纳米金层4位于镂空区内。纳米金层4用于修饰抗体分子6。其中，传感层3为MXene或碳纳米管薄膜层。导电层5包括第二柔性基底8和附着在第二柔性基底8上的导电银胶。第二柔性基底8的结构与柔性基底1相同。
实施例2
一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，具体为以下步骤：
S1、制备三明治结构薄膜2（如图1所示）
S1.1、以Sylgard 184，Dow Corning作为原料，将预聚物和固化剂以10:1重量比混合并搅拌均匀，使用脱泡机去除混合物气泡；然后静置10-15分钟，使用旋涂机使PDMS在玻璃衬底上旋涂形成薄膜。将薄膜在110-130℃的烘干台上，固化10-15 min。
S1.2、将四氧化三铁粉末以0.05g/ml的比例使用超声分散机分散到去离子水中，分散均匀后在PDMS薄膜上利用旋涂机制备成膜。
S1.3、使用旋涂机使PDMS在制备得到的四氧化三铁薄膜上旋涂形成薄膜，将薄膜在110-130℃的烘干台上，固化10-15 min。
S2、将制备得到的三明治结构薄膜2转移到柔性基底1上，具体是在三明治结构薄膜2上下表面均粘贴柔性基底1，本实施例柔性基底1为圆环状结构，中间为镂空区；之后将上下附着有柔性基底1的三明治结构薄膜2浸泡在氯金酸、葡萄糖、碳酸氢钾混合溶液中12到24小时，在三明治结构薄膜2下表面的镂空区获得纳米金层4（参照图2）。
S3、制备导电层5：将蘸有型号为3812导电银胶的细小玻璃棒印到第二柔性基底8上，本实施例第二柔性基底8为圆环状结构，中间为镂空区；将印好的基底置于140-160℃加热30-40分钟，制备导电银胶层。
S4、将第二柔性基底8贴合在位于三明治结构薄膜2上表面的柔性基底1上；并用纳米银胶将粘合的缝隙填充；
S5、将溶于去离子水中MXene溶液滴到三明治结构薄膜2上表面的镂空部分，制备传感层3，得到生物传感器。
S6、将上一步骤制备得到的传感器浸泡在4 mmol/L 的CYS溶液中，以生成胺化自组装单分子膜，8-9小时后去掉CYS溶液，并用去离子水清洗传感器。
S7、将50mmol/L的EDC和NHS溶液以1:1的体积比混合，并滴加抗体溶液，将生物传感器置于有EDC/NHS存在的抗体混合溶液中保持2-3小时，使抗体分子6修饰到纳米金层4上。
S8、再将该生物传感器置于BSA缓冲液中并保持1小时以抑制非特异性吸附。
S9、使用该生物传感器检测0-50μg/mL的人血清白蛋白7，使人血清白蛋白7与传感器上的抗体分子6结合。
S10、将生物传感器置于均匀磁场中。
S11、封装，测试。
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 (10)

1.一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，其特征在于，包括柔性基底（1），所述柔性基底（1）设有镂空区，柔性基底（1）的一面承载三明治结构薄膜（2），另一面承载导电层（5）；
三明治结构薄膜（2）位于镂空区的部分一面设置有传感层（3），另一面设置有纳米金层（4）；所述传感层（3）与导电层（5）位于三明治结构薄膜（2）的同侧；
所述纳米金层（4）用于修饰抗体分子（6）；
所述的三明治结构薄膜（2）是由上下层的PDMS薄膜和设置在上下层PDMS薄膜中间的磁性薄膜组成。
2.根据权利要求1所述的一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，其特征在于，所述三明治结构薄膜（2）具有纳米金层（4）的一面设置有具有镂空区的柔性基底（1），所述纳米金层（4）位于镂空区内。
3.根据权利要求1所述的一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，其特征在于，所述传感层（3）为MXene或碳纳米管薄膜层。
4.根据权利要求1所述的一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，其特征在于，所述磁性薄膜为四氧化三铁或铽镝铁薄膜材料。
5.根据权利要求1所述的一种基于磁力电耦合的薄膜生物传感器，其特征在于，所述导电层（5）包括第二柔性基底和附着在第二柔性基底上的导电银胶。
6.一种如权利要求1-5任意一项所述基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）制备三明治结构薄膜（2），将三明治结构薄膜（2）转移至柔性基底（1）的一面上；三明治结构薄膜（2）的上表面与柔性基底（1）贴合，在位于镂空区的三明治结构薄膜（2）下表面制备纳米金层（4）；
2）在所述柔性基底（1）的另一面制备导电层（5）；
3）在位于镂空区的三明治结构薄膜（2）上表面制备传感层（3）；
4）将步骤3）制备得到的三明治结构薄膜（2）浸泡在CYS溶液中，以生成胺化自组装单分子膜制备得到生物传感器。
7.根据权利要求6所述的基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，其特征在于，三明治结构薄膜（2）的制备方法是先将磁性材料在PDMS薄膜上旋涂成磁性薄膜，然后在所述的磁性薄膜上再旋涂一层PDMS薄膜。
8.根据权利要求6所述的基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，其特征在于，所述制备纳米金层（4）是将转移到柔性基底上的三明治结构薄膜（2）浸泡在氯金酸、葡萄糖、碳酸氢钾混合溶液中12-24h，获得纳米金层。
9.根据权利要求6所述的基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，其特征在于，将导电银胶印到第二柔性基底上表面得到导电层（5），然后将第二柔性基底下表面粘贴在承载有三明治结构薄膜（2）的柔性基底（1）的另一面。
10.根据权利要求6所述的基于磁力电耦合的薄膜生物传感器的制备方法，其特征在于，制备传感层（3）的方法是将MXene溶液滴到镂空区。
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