专利名称：一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片及制备方法
技术领域：
本发明属于传感器芯片制备领域，具体涉及一种传感器的甲基苯丙胺分子识 别敏感芯片及制备方法。
背景技术：
甲基苯丙胺(Methampheatmine)属于苯丙胺类兴奋剂(Amphetaminetype stimulants),因其原料外观为纯白结晶体，晶莹剔透，故被吸毒、贩毒者称为"冰" (Ice)。由于它的毒性剧烈，人们便称之为"冰毒"。它具有药物依赖性(主要是精 神依赖性)、中枢神经兴奋、致幻、食欲抑制和拟交感效应等药理、毒理学特性， 是联合国精神药品公约管制的精神活性物质。由于该毒品可一次成瘾，其商品名 称为SPEED(快速丸)。甲基苯丙胺可造成精神偏执，行为举止咄咄逼人，并引发 反社会及性暴力倾向，还可引起吸服者失眠、幻觉、情绪低落，同时严重损害内 脏器官和脑组织，严重时导致肾机能衰竭及精神失常，甚至造成死亡。近年来， 甲基苯丙胺在世界上不少国家和地区己成为主流毒品，制贩甲基苯丙胺的犯罪活 动正日益猖獗。在国内，其滥用现象也在不断蔓延扩大。
在打击毒品犯罪的过程中，法庭科学工作者致力于将各种先进的分析技术手 段或方法应用于对甲基苯丙胺分子的检测。目前应用于甲基苯丙胺分子检测的技 术手段或方法较多目前采用的方法主要有薄层扫描法、气相色谱法(GC)、气相 色谱/质谱法(GC/MS)、高效液相色谱、质谱法(HPLC/MS)。大多数气相色谱研 究为了改善甲基苯丙胺及苯丙胺的色谱行为，常对其进行衍生化处理。衍生化试 剂多采用进口、昂贵的试剂，所建方法适用性受限。薄层扫描法和高效液相色谱 法相对于气相色谱法灵敏度较低。因此，上述方法均不适合犯罪现场快速检测的 需要。在此背景下，国内外法庭科学工作者积极开发新的检测技术和样品预处理 方法，不同途径进行种种努力，以寻求建立灵敏、准确、经济、快速的甲基苯丙 胺在生物样品中的检测方法。在这方面，卓有成效的是生物传感器。生物传感器 由识别元件和信号转换器组成，识别元件以适当的方式固定在转换器的表面，当待测分子与识别元件结合时，产生一个物理或化学信号，转换器将此信号转换成 一个可定量的输出信号，通过监测输出信号实现对待测分子的实时测定。构成生 物传感器的生物分子有酶、抗体、微生物、组织甚至完整的器官；转换器有电极、 场效应晶体管、光纤、热敏电阻和压电晶体等。生物传感器由于其灵敏度高、选 择性好、响应快、样品需求量少、可微型化等特点，受到广泛关注，在法庭科学 中得到越来越多的应用，成为检测甲基苯丙胺的一种新颖的手段。例如，日本的 Go Sakai等人研究成功了利用表面等离子体共振生物传感器通过溶液竞争法对 甲基苯丙胺的快速检测。
但生物分子固有的缺陷，即对使用环境要求较高，难以长期保存等，使生物 传感器在实际应用中遇到很多不易克服的障碍。同时，生物分子来源于生物活体， 由于制备和纯化繁琐、昂贵，因此，识别元件难以得到也是限制生物传感器发展 的一个重要因素。获得廉价、稳定的识别元件，是生物传感器进一步发展的关键 之一。
分子印迹技术(Molecular Imprinting Technology , MIT)是模拟自然界所存在 的分子识别作用，如酶与底物、抗体与抗原等，制备对某一特定目标分子具有特 异选择性的聚合物，即分子印迹聚合物(molecularly imprinted polymer, MIP)的 过程。目前，分子印迹技术已成为高分子聚合物中储藏分子信息的有效手段，可 以使聚合物在分子水平(层次)上对特定物质进行识别。分子印迹聚合物极为稳 定，在较苛刻的条件如使用有机溶剂或高温情况下，也不会破坏它的识别能力。 这些优势使分子印迹聚合物适合于作传感器的敏感材料。其中从应用角度，分子 印迹聚合物又可分为不同的类型，分子印迹聚合物膜正是研制传感器关键器件的 最佳选择。我们把以分子印迹聚合物作为敏感材料的传感器件称为分子印迹传感 器CMolecular Imprinting Sensor， MIS)。分子印迹传感器能选择性地识别和结合印 迹分子，并由信号转换器根据结合过程中物理化学参数的变化输出信号，而信号 的强弱决定于印迹分子物质浓度的高低。因此，分子印迹聚合物以膜的形式固定 在转换器表面作为传感器的识别元件，不但可以克服生物传感器在长期稳定性、 恶劣物理化学环境(高温高压、强酸强碱)耐受性差的缺点，而且可以提高传感器 的灵敏度和检测限。1991年，Mosbach等首次将分子印迹技术与传感器结合起来， 将MIP作为识别元件，并申请了专利，现在已经有针对除草剂、药物、毒素、糖、核酸和氨基酸的衍生物等的分子印迹传感器。
目前，将分子印迹技术应用于传感器检测甲基苯丙胺分子，目前国内外还是 空白，我们尚未检索到有关这方面的文献或专利报道。但是随着时间的推移与研 究的深入，人们将会意识到这种联用技术潜在的价值。识别元件(即信息传感材 料)是传感器的核心，它决定传感器的选择性、灵敏度、重现性、稳定性和使用 寿命，因此分子识别敏感芯片正是应用和推广这种传感器技术检测甲基苯丙胺分 子的核心和关键。
发明内容
本发明的目的在于克服现有检测甲基苯丙胺的生物传感器中分子识别敏感 芯片制备方法繁琐、昂贵，在长期稳定性、重复使用性、恶劣物理化学环境方面 耐受性差的缺点，提供一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片。
为达到上述目的，本发明的技术解决方案是提供一种传感器的甲基苯丙胺分 子识别敏感芯片，其特征在于由两个部分组成，从上至下依次为甲基苯丙胺分 子印迹聚合物膜层和金属膜基底层；其中，金属膜基底是指在光学盖玻片上通过 真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，而甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜是利用 化学合成的方法交联在上述金属膜基底的金属薄膜表面，用于传感器对甲基苯丙 胺分子实现特异性、高灵敏度识别功能。
所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，其所述的金属薄膜为金 膜、银膜或铝膜。
所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，其所述的金属薄膜的厚 度为20 100nm。
本发明还提供一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特
征在于其具体制备步骤如下
a) 首先在光学盖玻片上通过真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，以此 作为金属膜基底；
b) 将一种或两种聚合反应单体与甲基苯丙胺分子以一定比例溶解在致孔剂 中；
c) 再以一定比例加入交联剂和引发剂，超声作用后通氮气除氧数分钟；d) 取数滴由步骤b)和c)组成的溶有甲基苯丙胺分子的预聚合溶液滴加于 粘有支撑膜的硅垸化载玻片上，盖上金属膜基底；
e) 将步骤d)中制作好的双层反应片放入密闭反应器中，在氮气保护下，于 一定温度加热反应数小时；
f) 反应结束后将载玻片与金属膜基底分开，即可在金属膜基底的金属薄膜 表面交联上一层镶嵌有甲基苯丙胺分子的功能高分子聚合物膜；
g) 利用洗脱剂除去镶嵌在功能高分子聚合物膜中的甲基苯丙胺分子；
h) 将步骤g)中所得芯片在真空条件下干燥至衡重，得到用于传感器的甲基 苯丙胺分子识别敏感芯片；
所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其所述的聚 合反应单体采用如下一种或两种的化合物丙烯酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯
酸、甲基丙烯酸甲酯、亚甲基丁二酸、甲基丙烯酸羟乙酯、甲基丙烯酸二乙胺乙 基酯、2,6-二氨基吡啶、丙烯酰胺、2-乙烯基吡啶、4-乙烯基吡啶、对乙基苯乙 酸或对乙烯苯甲酸；所述的交联剂选自如下之一的化合物乙二醇二甲基丙烯酸 酯、N,N'-亚甲基二丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、三 羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯或二乙烯基苯；所述的致孔剂为如下一种或两种的化 合物二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、甲醇、乙腈、N,N-二甲基甲酰胺、砜类化合 物或杂环类化合物；所述的引发剂为偶氮类化合物或有机过氧化物，更优选如下 之一的化合物偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、2，2'-偶氮-双(2,4-二甲基戊腈) 或过氧化苯甲酰；
所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其所述的各
反应物的用量配比如下
所述的聚合反应单体与所述的印迹分子的物质的量比为2~10:1 所述的交联剂与所述的印迹分子的物质的量比为4~40:1 所述的交联剂与所述的聚合反应单体的物质的量比为1~20:1; 所述的引发剂与所述的聚合反应单体的物质的量比为0.05-0.20:1 所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其所述的步
骤c)中超声时间为5-10min，通氮气除氧时间为5-10min;所述的步骤d)中加热
反应温度为55~70°C，反应时间为3.5~24小时。
7所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其所述的洗 脱剂为有机溶剂和酸的混合液或者有机溶剂与水、酸的混合液；所述的有机溶剂 为甲醇、乙腈、三氯甲烷或N,N-二甲基甲酰胺，所述的酸为乙酸，并且酸与有 机溶剂的体积比为l: 1 50或者水、酸与有机溶剂的体积比为1: 1~10: 1~500。
所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其所述的步 骤d)中所述的粘有支撑膜的硅垸化载玻片采用如下方法得到首先依次用铬酸洗 液、二次蒸馏水和乙醇对载玻片进行反复清洗直至无明显污染；之后置于Piranha 溶液，即H2S04: H202(3:l， V/V)的混合溶液中于5(TC加热一个小时，再依次用 蒸馏水、乙醇淋洗，并用氮气吹干；最后在50mM三甲基氯硅烷的乙醇溶液中 浸泡过夜，使之硅烷化；每次使用前，首先用乙醇淋洗硅垸化载玻片，并用氮气 吹干，然后把用拉制好的封口膜紧粘在硅垸化载玻片的表面，再用刀片在封口膜 的中间区域划出一方形空白区域，载玻片上残留的封口膜即为支撑膜，得到粘有 支撑膜的硅烷化载玻片。
本发明的有益效果本发明所提供的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感 芯片利用了分子印迹技术，与传统的生物敏感芯片相比，具有下列突出优点
(1) 不仅对目标分子甲基苯丙胺具有非常好的亲和性和选择性，专一性强， 而且和天然的受体分子非常相似；
(2) 物理化学性质稳定，能抵抗很强的机械作用，耐高温、高压、酸、碱和 有机溶剂，不易被生物降解破坏，在很多方面要优于天然的生物受体分子。
(3) 制备方法简单，耗能少，反应时间短，干净无污染，易于推广；
(4) 较生物敏感芯片易于保存和使用；
(5) 可多次重复使用，能长期保持稳定；
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图l是本发明一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的甲基苯丙胺分 之印迹聚合物膜层的制备方法示意图
图2是本发明一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的示意图中，l-金属薄膜、2-光学盖玻片、3-支撑膜、4-硅垸化载玻片、5-溶有甲基苯丙胺分子的预聚合溶液、6-甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜。 具体实施例
一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，由两个部分组成，从上至下依 次为甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜层和金属膜基底层；其中，金属膜基底是指在 光学盖玻片上通过真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，而甲基苯丙胺分子印 迹聚合物膜是利用化学合成的方法交联在上述金属膜基底的金属薄膜表面，用于 传感器对甲基苯丙胺分子实现特异性、高灵敏度识别功能。
实施例
首先在光学盖玻片上通过真空蒸发法镀上一层47nm厚的金膜，以此作为金 膜基底。准确称取印迹分子甲基苯丙胺0.0075g (0.05mmo1)、聚合反应单体亚 甲基丁二酸0.0130g(0.1mmol)以及甲基丙烯酸-e-羟乙酯0.0130g (0.1 mmol)， 溶于3.0mL DMF中，超声助溶5min后；再向上述混合液中加入0.0496g (0.25mmol)的交联剂乙二醇二甲基丙烯酸酯和0.0030g的引发剂偶氮二异丁腈， 超声作用5rnin后，通氮气除氧5mim;取数滴溶液滴加于粘有支撑膜的硅垸化 载玻片上，盖上金膜基底，并用夹子将二者夹紧；将上述制作好的的双层反应片 放入密闭反应器中，在氮气保护下于60'C水浴中加热反应10小时；反应结束后 将载玻片与金膜基底分开，即可在金膜基底表面交联上一层镶嵌有甲基苯丙胺分 子的功能高分子聚合物膜。利用体积比为4:1:1的甲醇、乙酸和水的混合液除去 功能高分子聚合物膜的中的甲基苯丙胺分子。洗脱完毕后，将所得芯片在真空条 件下干燥至衡重，最后得到用于传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片。
权利要求
1. 一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，其特征在于由两个部分组成，从上至下依次为甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜层和金属膜基底层；其中，金属膜基底是指在光学盖玻片上通过真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，而甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜是利用化学合成的方法交联在上述金属膜基底的金属薄膜表面；实现对甲基苯丙胺分子的特异性、高灵敏度识别功能。
2. 如权利要求1所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，其特征在于所述的金属薄膜为金膜、银膜或铝膜。
3. 如权利要求1所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，其特征 在于所述的金属薄膜的厚度为20 100nm。
4. 一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特征在于其具体制备步骤如下a) 首先在光学盖玻片上通过真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，以此 作为金属膜基底；b) 将一种或两种聚合反应单体与甲基苯丙胺分子以一定比例溶解在致孔剂 中；c) 再以一定比例加入交联剂和引发剂，超声作用后通氮气除氧数分钟；d) 取数滴由步骤b)和c)组成的溶有甲基苯丙胺分子的预聚合溶液滴加于 粘有支撑膜的硅垸化载玻片上，盖上金属膜基底；e) 将步骤d)中制作好的双层反应片放入密闭反应器中，在氮气保护下，于 一定温度加热反应数小时；f) 反应结束后将载玻片与金属膜基底分开，即可在金属膜基底的金属薄膜 表面交联上一层镶嵌有甲基苯丙胺分子的功能高分子聚合物膜；g) 利用洗脱剂除去镶嵌在功能高分子聚合物膜中的甲基苯丙胺分子；h) 将步骤g)中所得芯片在真空条件下干燥至衡重，得到用于传感器的甲基 苯丙胺分子识别敏感芯片。
5. 根据权利要求4所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制 备方法，其特征在于所述的聚合反应单体采用如下一种或两种的化合物丙烯 酸、甲基丙烯酸、三氟甲基丙烯酸、甲基丙烯酸甲酯、亚甲基丁二酸、甲基丙烯 酸羟乙酯、甲基丙烯酸二乙胺乙基酯、2,6-二氨基吡啶、丙烯酰胺、2-乙烯基吡淀、4-乙烯基吡啶、对乙基苯乙酸或对乙烯苯甲酸；所述的交联剂选自如下之一的化合物乙二醇二甲基丙烯酸酯、N,N，-亚甲基二丙烯酰胺、季戊四醇三丙烯酸酯、季戊四醇四丙烯酸酯、三羟甲基丙烷三甲基丙烯酸酯或二乙烯基苯；所述的致孔剂为如下一种或两种的化合物二氯甲烷、三氯甲烷、甲苯、甲醇、乙腈、N，N-二甲基甲酰胺、砜类化合物或杂环类化合物；所述的引发剂选自如下之一的化合物偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、2,2，-偶氮-双(2,4-二甲基戊腈)或过氧化苯甲酰。
6. 根据权利要求4或5所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特征在于各反应物的用量配比如下所述的聚合反应单体与所述的印迹分子的物质的量比为2 10:1所述的交联剂与所述的印迹分子的物质的量比为4~40:1所述的交联剂与所述的聚合反应单体的物质的量比为1~20:1;所述的引发剂与所述的聚合反应单体的物质的量比为0.05~0.20:1 。
7. 根据权利要求4所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特征在于所述步骤c)中超声时间为5-10min，通氮气除氧时间为5-10min;所述步骤d)中加热反应温度为55~70°C,反应时间为3.5~24小时。
8. 根据权利要求4所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特征在于所述的洗脱剂为有机溶剂和酸的混合液或者有机溶剂与水、酸的混合液；所述的有机溶剂为甲醇或乙腈，所述的酸为乙酸，并且酸与有机溶剂的体积比为l: 1~50或者水、酸与有机溶剂的体积比为1: 1~10: 1~500。
9. 根据权利要求4所述的一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片的制备方法，其特征在于步骤d)中所述的粘有支撑膜的硅垸化载玻片采用如下方法得到首先依次用铬酸洗液、二次蒸馏水和乙醇对载玻片进行反复清洗直至无明显污染；之后置于Piranha溶液，即H2S04: H202(3:l， V/V)的混合溶液中于50。C加热一个小时，再依次用蒸馏水、乙醇淋洗，并用氮气吹干；最后在50mM三甲基氯硅垸的乙醇溶液中浸泡过夜，使之硅垸化；每次使用前，首先用乙醇淋洗硅烷化载玻片，并用氮气吹干，然后把用拉制好的封口膜紧粘在硅烷化载玻片的表面，再用刀片在封口膜的中间区域划出一方形空白区域，载玻片上残留的封口膜即为支撑膜，得到粘有支撑膜的硅烷化载玻片。
全文摘要
本发明涉及一种传感器的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片及制备方法。本发明所提供的甲基苯丙胺分子识别敏感芯片，由两个部分组成，从上至下依次为甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜层和金属膜基底层；其中，金属膜基底是指在光学盖玻片上通过真空蒸发法或溅射法镀上一层金属薄膜，而甲基苯丙胺分子印迹聚合物膜是利用化学合成的方法交联在上述金属膜基底的金属薄膜表面。由于该聚合物膜结构中形成了与甲基苯丙胺分子在空间和结合位点上相匹配的具有多重作用位点的立体空穴，从而能够实现对甲基苯丙胺分子的特异性、高灵敏度识别功能。本发明所提供的分子识别敏感芯片具有物理化学性质稳定，可多次重复使用，易于保存，制作方法简单，耗能少，造价低廉等突出优点。
文档编号C08J5/18GK101498716SQ20091011898
公开日2009年8月5日 申请日期2009年3月11日 优先权日2009年3月11日
发明者于忠山, 刘建军, 军 朱, 郝红霞, 韦天新 申请人:北京理工大学;公安部物证鉴定中心