[發(fā)明專利]基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片及其制備方法

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201210441836.6
• 申請日: 2012-11-07
• 公開（公告）號: CN102901715A
• 公開（公告）日: 2013-01-30
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 崔小強(qiáng);鄭偉濤;劉暢;張雷
• 申請（專利權(quán)）人: 吉林大學(xué)
• 主分類號: G01N21/55
• 分類號: G01N21/55;G01N21/64;B81B7/04;B81C1/00
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責(zé)任公司 22201
• 代理人: 朱世林;王壽珍

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種新型基于表面等離激元共振(Surface?Plasmon?Resonance，SPR)增強(qiáng)熒光的微/納米周期結(jié)構(gòu)，作為生物傳感芯片基底材料，在這基底上書寫蛋白質(zhì)微陣列并進(jìn)行掃描，可以提高表面的熒光信號強(qiáng)度約10倍，有助于提高檢測目標(biāo)分子的靈敏度，使這種微/納米周期結(jié)構(gòu)成為全新的低成本、高通量、超靈敏的微陣列生物芯片基底材料。

背景技術(shù)

微陣列生物芯片(Microarray)是一種被廣泛應(yīng)用于基因、蛋白質(zhì)、糖類、細(xì)胞以及其他生物組分的高通量分析方法。它的主要原理是在活化的固體基底上利用機(jī)械或化學(xué)的方法制備各種生物分子包括DNA、糖類、蛋白質(zhì)等的矩陣排列，然后通過分子間的特異性相互作用對各種生命物質(zhì)進(jìn)行分析檢測。

微陣列芯片的制作通常涉及芯片基底材料的選擇，芯片的表面修飾，芯片生物標(biāo)記材料的選擇等步驟。理想的芯片表面應(yīng)具有尺寸準(zhǔn)確、平滑、平整、均一、熒光惰性等特點，通常使用的芯片基底是商業(yè)化載玻片、硅片以及高聚物的薄片。在芯片的表面修飾方面，氨基化表面是最早被開發(fā)利用的，但它與生物分子之間的靜電作用會引起較多的非特異性吸附，造成較強(qiáng)的背底；醛基修飾表面在空氣中容易被氧氣氧化成羧基而使醛基部分失活，不利于芯片的長期保存；最近，越來越多的研究者利用環(huán)氧修飾表面，它既可以固定末端修飾有羥基、氨基的生物分子，并且環(huán)氧化的表面可以在空氣中穩(wěn)定保存幾個月。在芯片生物標(biāo)記材料的選擇上，傳統(tǒng)的放射性標(biāo)記法的靈敏度高，但其操作復(fù)雜，危害性大，現(xiàn)在已經(jīng)不常見；使用金屬納米粒子作為生物標(biāo)記材料，具有很好的光穩(wěn)定性，但實驗過程比較繁瑣；熒光標(biāo)記法是目前應(yīng)用最普遍的標(biāo)記形式，具有靈敏度高，操作簡便等特點，但熒光標(biāo)記的光穩(wěn)定性普遍較差，光漂白作用嚴(yán)重，實驗過程中應(yīng)注意避光，防止光漂白現(xiàn)象的發(fā)生。

本發(fā)明的設(shè)計是在石英或其他高分子材料基底上利用傳統(tǒng)的微/納加工技術(shù)或者新型的納米壓印復(fù)制的方法獲得一系列微/納米周期結(jié)構(gòu)(不同周期，不同深度的一維線性光柵和二維納米孔)，在這種結(jié)構(gòu)表面沉積Au或者Ag等膜層結(jié)構(gòu)，表面繼以環(huán)氧修飾，形成一種可以作為微陣列生物芯片基底材料的微/納米周期結(jié)構(gòu)，以達(dá)到提高芯片表面熒光信號強(qiáng)度生物的效果，實現(xiàn)提高檢測靈敏度的目的。

本發(fā)明設(shè)計的芯片基底材料的原理是基于微/納米周期結(jié)構(gòu)耦合表面等離激元共振現(xiàn)象以達(dá)到增強(qiáng)芯片表面熒光信號強(qiáng)度的效果。表面等離激元共振是金屬納米結(jié)構(gòu)非常獨特的光學(xué)特性，金屬薄膜表面介電常數(shù)和厚度的變化會影響SPR曲線的變化，從而實現(xiàn)對金屬表面介質(zhì)環(huán)境變化的傳感。微量的分子吸附就可以導(dǎo)致表面等離激元共振頻率的改變，從而引起光譜的變化；一些特殊的納米結(jié)構(gòu)也可以導(dǎo)致局域光電場的顯著增強(qiáng)，這可以使得吸附分子的拉曼散射強(qiáng)度增強(qiáng)幾個至十幾個數(shù)量級。隨著納米合成手段與材料加工技術(shù)的發(fā)展，以SPR為基礎(chǔ)的研究日益活躍，并派生出眾多的研究分支，例如表面光電場增強(qiáng)、表面增強(qiáng)光譜、光透射增強(qiáng)、表面等離激元生物傳感器等等。等離激元材料學(xué)的研究使研究者看到了發(fā)展具有超高檢測靈敏度的新型傳感器的極大希望。在國際上，面向這一領(lǐng)域的材料學(xué)基礎(chǔ)理論研究和實驗探索正在如火如荼的進(jìn)行之中，在國內(nèi)這些研究才剛剛起步。

目前，有三種在金屬表面激發(fā)SPR的方法：棱鏡耦合、金屬納米粒子耦合以及周期排列微/納米結(jié)構(gòu)耦合。相對于其他兩種耦合方式，在平面上周期排列的納/微米金屬結(jié)構(gòu)激發(fā)SPR由于具有共振角度小、耦合效率高、有效距離長、使用成本低、易于顯微觀察等特點，因此特別適合于在光電器件、平面集成以及光譜增強(qiáng)等傳感器等方面的開發(fā)應(yīng)用。

本發(fā)明將基于表面等離激元共振技術(shù)的微/納米周期結(jié)構(gòu)作為微陣列生物芯片的基底，目的是將SPR與微陣列芯片兩種新興檢測手段完美的結(jié)合在一起。微陣列生物芯片技術(shù)雖然在上個世紀(jì)末才剛剛起步，但如今它已在基因表達(dá)、疾病檢測、環(huán)境監(jiān)測、預(yù)防醫(yī)學(xué)、食品監(jiān)督等諸多領(lǐng)域均有貢獻(xiàn)，具有廣闊的應(yīng)用前景。通過兩者(SPR技術(shù)與微陣列芯片技術(shù))的完美結(jié)合，一方面可以實現(xiàn)傳統(tǒng)SPR技術(shù)不能實現(xiàn)的高通量檢測，另一方面，微/納米周期結(jié)構(gòu)耦合的SPR激發(fā)出的消逝場對微陣列生物芯片表面的熒光信號等進(jìn)行增強(qiáng)，也可以為更多的研究者提供一種芯片表面的信號放大技術(shù)，可以達(dá)到提高檢測靈敏度的目的。

發(fā)明內(nèi)容