本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種基于微/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，該芯片基于表面等離激元共振增強(qiáng)熒光技術(shù)的微/納米周期結(jié)構(gòu)作為微陣列生物芯片基底材料。在玻璃或/和高分子襯底上加工一系列微/納米周期結(jié)構(gòu)：周期400-800nm，深度為20-100nm，繼以沉積多層功能薄膜，使其具有表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光作用。基底上的生物分子微陣列分析的熒光信號(hào)強(qiáng)度和靈敏度被提高約10倍，這種微/納米周期結(jié)構(gòu)有潛力成為全新的低成本、高通量、超靈敏的微陣列生物芯片基底材料。其特點(diǎn)是：將表面等離激元共振增強(qiáng)熒光與微陣列生物芯片技術(shù)結(jié)合，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，取材靈活多樣，適合大批量生產(chǎn)和高通量檢測(cè)。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)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(hào)強(qiáng)度約10倍，有助于提高檢測(cè)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。
技術(shù)介紹
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(duì)各種生命物質(zhì)進(jìn)行分析檢測(cè)。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(diǎn)，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(huì)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(zhǎng)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(gè)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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)便等特點(diǎn)，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(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意避光，防止光漂白現(xiàn)象的發(fā)生。本專利技術(shù)的設(shè)計(jì)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(hào)強(qiáng)度生物的效果，實(shí)現(xiàn)提高檢測(cè)靈敏度的目的。本專利技術(shù)設(shè)計(jì)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(hào)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(dú)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(huì)影響SPR曲線的變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)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(chǎng)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(gè)至十幾個(gè)數(shù)量級(jí)。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(chǎng)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(cè)靈敏度的新型傳感器的極大希望。在國(guó)際上，面向這一領(lǐng)域的材料學(xué)基礎(chǔ)理論研究和實(shí)驗(yàn)探索正在如火如荼的進(jìn)行之中，在國(guó)內(nèi)這些研究才剛剛起止/J/ O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(duì)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(zhǎng)、使用成本低、易于顯微觀察等特點(diǎn)，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。本專利技術(shù)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(cè)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(gè)世紀(jì)末才剛剛起步，但如今它已在基因表達(dá)、疾病檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、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(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)SPR技術(shù)不能實(shí)現(xiàn)的高通量檢測(cè)，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(chǎng)對(duì)微陣列生物芯片表面的熒光信號(hào)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(hào)放大技術(shù)，可以達(dá)到提高檢測(cè)靈敏度的目的。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)著重解決的問題是，在石英以及其他高分子基底上制備一系列不同周期、不同深度的微/納米周期結(jié)構(gòu)，利用磁控濺射設(shè)備對(duì)基底鍍膜用于激發(fā)表面等離激元，形成性能優(yōu)異的生物芯片。把沉積膜層的微/納米周期結(jié)構(gòu)作為微陣列生物芯片的基底，書寫蛋白質(zhì)微陣列。掃描后，這種新型基底有效地提高了芯片表面的熒光信號(hào)強(qiáng)度，與傳統(tǒng)使用的玻璃芯片相比，熒光信號(hào)強(qiáng)度提高了約10倍。以抗體(Cy5_IgG)為檢測(cè)模型，驗(yàn)證本專利技術(shù)設(shè)計(jì)的可行性。在三種不同的基底材料上(Au包覆的一維光柵、Au包覆的玻璃、裸玻璃)書寫蛋白質(zhì)微陣列，檢測(cè)并對(duì)比不同基底上的熒光強(qiáng)度。本專利技術(shù)的主要內(nèi)容是一種基于微/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，在石英在內(nèi)的玻璃或/和高分子襯底上加工一系列微/納米周期結(jié)構(gòu)周期400-800nm，深度為20-100nm，繼以沉積多層功能薄膜，使其具有表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光作用，用于低成本高通量檢測(cè)的微陣列生物芯片；所述表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光用作微陣列生物芯片基底材料的微/納米周期結(jié)構(gòu)，所述多層功能薄膜結(jié)構(gòu)包括用于改善基底與金屬之間的附著性的增強(qiáng)吸附層，包含O. 4-2. Onm的Cr, Ti ;表面等離激元激發(fā)層,包含20_200nm的Ag, Au, Al ;用于表面修飾生物分子以及防止熒光淬滅的隔離層，包含10-500nm的ZnO，SiO2, TiO2, MgF2 ；所述表面用于生物分子修飾表面及微陣列分析。所述芯片表面修飾采用包括GPTS的乙醇溶液的硅烷化試劑對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行修飾，便于與蛋白質(zhì)分子的結(jié)合。所述的一種基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片的制備方法采用雙光束干涉刻蝕的方法，在給定激光波長(zhǎng)下，通過改變干涉光刻設(shè)備中反射鏡的角度獲得不同周期的光柵，具體的制備過程分為三個(gè)步驟步驟一，首先，包括石英在內(nèi)的玻璃或/和高分子襯底材料在體積分?jǐn)?shù)I %的Hellmanex II (表面活性劑)溶液中超聲清洗15_20min，隨后使用去離子水和酒精徹底漂洗，并在空氣中徹底干燥；步驟二，其次，清潔的基底被懸涂上一層厚度為O. 5-2 μ m的正光刻膠，光刻膠的圖案化過程是使用一束干涉He-Cd激光曝光IOOs實(shí)現(xiàn)的，通過改變照射時(shí)間，控制光柵結(jié)構(gòu)的占空比臺(tái)形結(jié)構(gòu)的半高寬與周期的比值，曝光、顯影后直接進(jìn)行干法刻蝕，獲得一維周期性光柵，第一次曝光后，將基底旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行二次曝光，再繼以顯影、刻蝕步驟，獲得二維納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)； 步驟三，使用干法刻蝕機(jī)對(duì)曝光后的基底進(jìn)行干法刻蝕，光柵的深度是通過改變刻蝕時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，通常的刻蝕速率為2nm/s ；在不同沉底材料的微/納米周期結(jié)構(gòu)進(jìn)行膜層的覆蓋，使用多靶磁控濺射設(shè)備在周期結(jié)構(gòu)表面一步完成膜層結(jié)構(gòu)的沉積，這些膜層結(jié)構(gòu)包括Cr膜用于改善基底與金屬或介質(zhì)層與金屬之間的附著性，Ag或Au膜用來激發(fā)表面等離激元；SiO2介質(zhì)隔離層用于芯片的表面修飾以及防止熒光淬滅，以沉積膜層后的微/納米周期結(jié)本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片，其特征在于：在玻璃或/和高分子襯底上加工一系列微/納米周期結(jié)構(gòu)：周期400？800nm，深度為20？100nm，繼以沉積多層功能薄膜，使其具有表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光作用，用于低成本高通量檢測(cè)的微陣列生物芯片；所述表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光用作微陣列生物芯片基底材料的微/納米周期結(jié)構(gòu)，所述多層功能薄膜結(jié)構(gòu)包括：用于改善基底與金屬之間的附著性的增強(qiáng)吸附層，包含0.4？2.0nm的Cr，Ti；表面等離激元激發(fā)層，包含20？200nm的Ag，Au，Al；用于表面修飾生物分子以及防止熒光淬滅的隔離層，包含10？500nm的ZnO，SiO2，TiO2，MgF2；所述表面用于生物分子修飾表面及微陣列分析。
【技術(shù)特征摘要】
1.一種基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片，其特征在于 在玻璃或/和高分子襯底上加工一系列微/納米周期結(jié)構(gòu)周期400-800nm，深度為20-100nm，繼以沉積多層功能薄膜，使其具有表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光作用，用于低成本高通量檢測(cè)的微陣列生物芯片； 所述表面等離激元共振耦合增強(qiáng)熒光用作微陣列生物芯片基底材料的微/納米周期結(jié)構(gòu)，所述多層功能薄膜結(jié)構(gòu)包括用于改善基底與金屬之間的附著性的增強(qiáng)吸附層，包含O.4-2. Onm的Cr, Ti ;表面等離激元激發(fā)層,包含20_200nm的Ag, Au, Al ;用于表面修飾生物分子以及防止熒光淬滅的隔離層，包含10-500nm的ZnO，SiO2, TiO2, MgF2 ； 所述表面用于生物分子修飾表面及微陣列分析。2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片，其特征在于 所述芯片表面修飾采用包括GPTS的乙醇溶液的硅烷化試劑對(duì)結(jié)構(gòu)表面進(jìn)行修飾，便于與蛋白質(zhì)分子的結(jié)合。3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種基于微/納米周期結(jié)構(gòu)的熒光增強(qiáng)微陣列生物芯片的制備方法，其特征在于 采用雙光束干涉刻蝕的方法，在給定激光波長(zhǎng)下，通過改變干涉光刻設(shè)備中反射鏡的角度獲得不同周期的光柵，具體的制備過程分為三個(gè)步驟 步驟一，首先，包括石英在內(nèi)的玻璃或/和高分子襯底在體積分?jǐn)?shù)I %的Hellmanex II表面活性劑溶液中超聲清洗15-20min，隨后使用去離子水和酒精徹底漂洗，并在空氣中徹底干燥； 步驟二，其次，清潔的基底被懸涂上一層厚度為O. 5-2 μ m的正光刻膠，光刻膠的圖案化過程是使用一束干涉He-Cd激光曝光IOOs實(shí)現(xiàn)的，通過改變照射時(shí)間，控制光柵結(jié)構(gòu)的占空比臺(tái)形結(jié)構(gòu)的半高寬與周期的比值，曝光、顯影后直接進(jìn)行干法刻蝕，獲得一維周期性光柵，第一次曝光后，將基底旋轉(zhuǎn)90°進(jìn)行二次曝光，再繼以顯影、刻蝕步驟，獲得二維納米孔周期陣列結(jié)構(gòu)； 步驟三，使用干法刻蝕機(jī)對(duì)曝光后的基底進(jìn)行干法刻蝕，光柵的深度是通過改變刻蝕時(shí)間來實(shí)現(xiàn)的，通常的刻蝕速率為2nm/s ； 在包括石英或其他高分子襯底材料的微/納米上周期結(jié)構(gòu)上進(jìn)行膜層的覆蓋，使用多靶磁控濺射設(shè)備在周期結(jié)構(gòu)表面一步完成膜層結(jié)構(gòu)的沉積，這些膜層結(jié)構(gòu)...
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：崔小強(qiáng)，鄭偉濤，劉暢，張雷，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：吉林大學(xué)，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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