专利名称：一种高灵敏度生物传感器及其制备方法
技术领域：
本发明涉及一种高灵敏度生物传感器及其制备方法，属于生物传感器领域。
背景技术：
传统的生物传感器，检测生物过程繁琐，灵敏度低，并且检测时间长，难以适应实 际需求。目前市场上普遍采用的用试剂盒检测生物，虽然在一定程度上克服了上述传感器 检测方法的缺点，但试剂盒检测法只能定性检测，而不能定量检测，并且检测不精准。一些 国内外专家学者以石英晶体微天平为研究平台，定量检测生物，并采取各种方法提高检测 灵敏度，如将敏感材料以实心膜的形式覆盖到电极上，制备生物传感器，但仍无法克服灵敏 度低的缺点。生物检测是关系国计民生的大事，制备出灵敏度高、可以定量检测的生物传感 器势在必行。
发明内容
本发明的目的是提供一种高灵敏度生物传感器及其制备方法，解决上述传感器检 测灵敏度低、不能定量检测和检测过程繁琐、检测时间长等问题。为了达到上述目的，本发明提供了一种高灵敏度生物传感器，包括石英晶体微天 平，其特征在于，石英晶体微天平的电极上沉积有高分子纤维，高分子纤维上喷覆有金属 膜，金属膜上覆盖自组装材料，自组装材料连接生物传感材料。本发明还提供了高灵敏度生物传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为第一步在室温下，将纺丝高分子原料用磁力搅拌器以50-2500rpm/min的转速搅 拌溶解在溶剂中得到质量分数为5-30%的电纺原料；第二步在室温、湿度范围为40-60%的条件下，将第一步得到的电纺原料以 0. l-10mL/h的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接10-80kV电源进行静电纺丝制备纤 维；第三步将第二步纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝 头之间的距离为5-30cm ；第四步用真空金属溅射仪在第三步中沉积到石英晶体微天平电极上的纤维上喷 覆金属膜，喷覆时间为o. l-10min ；第五步将第四步得到的石英晶体微天平的电极放进自组装材料(或交联材料) 溶液中浸泡l-40h ；第六步将石英晶体微天平的电极取出后，放进真空干燥箱干燥10-30min，将生 物传感材料覆盖到电极上，利用自组装或交联连接传感材料，静置l_30h，取出后得到高灵 敏生物传感器。所述第一步中的纺丝高分子原料为聚苯乙烯、聚亚乙基亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、 聚苯胺、聚氧化乙烯、聚二苯胺、聚邻甲基苯胺、聚环氧氯丙烷、聚异丁烯、聚己内酯、聚吡 咯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚酯酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚-a-氨基酸、聚苯硫醚、环氧树脂和聚硅氧烷中的一种或两种以上的混合 物；或甲壳素、壳聚糖、葡聚糖、纤维蛋白、丝蛋白、琼脂、胶原、角叉胶、藻酸钠和藻酸钙中的 一种或两种以上的混合物。所述第一步中的溶剂为无水乙醇、甲酸、四氢呋喃、N, N-二甲基甲酰胺、N, N-二 甲基乙酰胺、丙酮、氯仿、二氯甲烷、甲醇、乙醚、二甲基亚砜、苯、四氯化碳、二氯乙烷、三氯 乙烷、氯乙烯、乙烷、环丁砜、嘧啶、甲酰胺、己烷、氯苯、乙腈、甲苯、甲基环己烷、二氯乙烯、 二甲苯、环己烷、N-甲基吡咯烷酮、丙烷、戊烷、乙酸、苯甲醚、丙醇、戊醇、乙酸丁酯、三丁甲 基乙醚、异丙基苯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、甲基异丁酮、甲烷、丙烷、异辛烷、异丙醚、甲基异丙 酮、石油醚、三氯乙酸、三氟乙酸和吡啶中的一种或两种以上的混合物。所述第四步中的金属膜为钼金膜、黄金膜、银膜或铜膜。所述第五步中的自组装材料为巯基酸、巯基胺、硫辛酸、硫代酸、酰胺酸、硫醇、乙 二醛或甘油。所述第六步中的生物传感材料为氯霉素抗体、肝素、生化细菌抗体、沙门氏菌抗 体、大肠杆菌抗体、流感病毒抗体、血凝素、神经节苷脂、酶、核苷酸、内皮素、牛流行热病毒 抗体、人抗血清、动物抗血清、癌抗体、沙眼抗体、抗生物素蛋白或抗生物素肽。对于被选定的被检测物和敏感材料，传感材料膜的比表面积越大，其显示的灵敏 度越高。静电纺纳米纤维膜的比表面积比普通实心膜的比表面积高出1-2个数量级，故以 静电纺纳米纤维膜为模板的传感材料膜的比表面积也会高出1-2个数量级。传感材料膜的 比表面积越大，所能吸附的被检测物越多，从而检测灵敏度越高。本发明与现有技术相比其优点如下(1)本发明所提供的一种高灵敏生物传感器的制备方法，制备出的生物传感器检 测灵敏度高，可检测浓度极限低，可以检测微生物浓度低至0. lppb ；(2)本发明所提供的一种高灵敏生物传感器的制备方法，制备出的生物传感器可 以准确的在微生物浓度为0. lppb-100ppm之间进行定量检测，即可以精确地检测出微生物 的浓度；(3)本发明所提供的一种高灵敏生物传感器的制备方法，制备出的生物传感器具 有简单、价格低廉、反应迅速、携带方便等优点。
具体实施例方式下面结合实施例，进一步阐述本发明。以下实施例中的纺丝用原料高分子和溶剂 在阿拉丁可以买到；自组装和传感材料在Sigma-aldrich可以购买到；磁力搅拌器为上海 司乐仪器有限公司的81-2型；高压电源为天津东文高压电源厂生产的DW-P303-1ACD8型； 石英晶体微天平为美国斯坦福系统。实施例1(1)在室温下，将2g聚苯乙烯(聚合度为1600)固体用磁力搅拌器以50rpm/min 的转速搅拌溶解在18g质量比例为3/1的N，N-二甲基甲酰胺和四氢呋喃的混合溶剂中，得 到质量分数为10%的聚苯乙烯溶液；(2)在室温、湿度为40%的条件下，将质量分数为10%的聚苯乙烯溶液以4mL/h的 流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接20kV电源进行静电纺丝制备纤维；
(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为15cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆黄金膜， 喷覆时间为lmin ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进溶剂为无水乙醇、浓度 为10mM的3-巯基丙酸溶液中浸泡24h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥30min，将由缓冲液稀释好的氯霉素抗体覆盖到 电极上连接氯霉素抗体，静置12h后，氯霉素传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测氯霉素浓 度范围为 0. lppb-100ppm。实施例2(1)在室温下，将3g聚苯胺(聚合度为300)用磁力搅拌器以250rpm/min的转速 搅拌溶解在17g N, N-二甲基甲酰胺中，得到质量分数为15%的聚苯胺溶液；(2)在室温、湿度为50%的条件下，将质量分数为15%的聚苯胺溶液以2mL/h的流 速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接18kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为10cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆银膜，喷 覆时间为2min ；(5)将喷覆有纤维和银膜的石英晶体微天平的电极二硫苏糖醇中浸泡20h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥lOmin，将由缓冲液稀释好的沙门氏菌抗体覆盖 到电极上连接沙门氏菌抗体，静置6h后，沙门氏菌传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测沙门氏菌 浓度范围为0. lppb-100ppm。实施例3(1)在室温下，将6g聚亚乙基亚胺(聚合度为500)用磁力搅拌器以500rpm/min 的转速搅拌溶解在14g 二氯甲烷中，得到质量分数为30%的聚亚乙基亚胺溶液；(2)在室温、湿度为60%的条件下，将质量分数为30%的聚亚乙基亚胺溶液以 6mL/h的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接60kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为30cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积在石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆铜膜，喷 覆时间为lOmin ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进甲基丙烯酸缩水甘油酯 浸泡30h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥15min，将由缓冲液稀释好的肝素覆盖到电极上 连接肝素，静置10h后，抗凝血酶传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测抗凝血酶 浓度范围为0. lppb-100ppm。
实施例4(1)在室温下，将0.5g聚甲基丙烯酸甲酯(聚合度为200)用磁力搅拌器以 lOOrpm/min的转速搅拌溶解在9. 5g氯仿中，得到质量分数为5%的聚甲基丙烯酸甲酯溶 液；(2)在室温、湿度为40%的条件下，将质量分数为5%的聚甲基丙烯酸甲酯以5mL/ h的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接12kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为10cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆钼金膜， 喷覆时间为0. 5min ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进11-巯基十一烷酸溶液 中浸泡40h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥20min，将血凝素覆盖到电极上连接血凝素，静置 4h后，传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测幽门螺旋 菌和空肠菌浓度范围为0. lppb-100ppm。实施例5(1)在室温下，将2. 5g聚氨酯(聚合度为600)用磁力搅拌器以600rpm/min的转 速搅拌溶解在7. 5g N, N- 二甲基乙酰胺，得到质量分数为25%的聚氨酯溶液；(2)在室温、湿度为50%的条件下，将质量分数为25%的聚氨酯溶液以0. 5mL/h的 流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接50kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为20cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆铜膜，喷 覆时间为5min ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进溶剂为无水乙醇、浓度 为10mM的3-巯基丙酸中浸泡60h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥25min，将乙酰胆碱酯酶覆盖到电极上连接乙酰 胆碱酯酶，静置8h后，含磷农药传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测含磷农药 浓度范围为0. lppb-100ppm。实施例6(1)在室温下，将2g聚氧化乙烯(聚合度为800)用磁力搅拌器以SOOrpm/min的 转速搅拌溶解在8g乙醚中，得到质量分数为20%的聚氧化乙烯溶液；(2)在室温、湿度为40%的条件下，将质量分数为20%的聚氧化乙烯溶液以lmL/h 的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接18kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为16cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆黄金膜，喷覆时间为2min ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进硫辛酸中浸泡24h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥30min，将由缓冲液稀释好的内皮素覆盖到电极 上连接内皮素，静置6h后，赤芍传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测赤芍浓度 范围为 0. lppb-100ppm。实施例7(1)在室温下，将1. 2g聚二苯胺(聚合度为1000)用磁力搅拌器以lOOOrpm/min 的转速搅拌溶解在8. 8g N, N- 二甲基乙酰胺中，得到质量分数为12%的聚二苯胺溶液；(2)在室温、湿度为60%的条件下，将质量分数为12%的聚二苯胺溶液以1. 5mL/h 的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接25kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为18cm ；(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆铜膜，喷 覆时间为3min ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进戊二醛中浸泡24h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥lOmin，将人抗血清覆盖到电极上连接人抗血清， 静置12h后，传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测肿瘤细胞 浓度范围为0. lppb-100ppm。实施例8(1)在室温下，将2. 2g聚邻甲基苯胺(聚合度为300)用磁力搅拌器以llOOrpm/ min的转速搅拌溶解在7. 8g丙酮中，得到质量分数为22%的聚邻甲基苯胺溶液；(2)在室温、湿度为40%的条件下，将质量分数为22%的聚邻甲基苯胺溶液以 1. 8mL/h的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接22kV电源进行静电纺丝制备纤维；(3)将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之间的距 离为17cm;(4)用真空金属溅射仪对沉积到石英晶体微天平电极上的纤维进行喷覆银膜，喷 覆时间为4min ；(5)将喷覆有纤维和黄金膜的石英晶体微天平的电极放进溶剂为乙醇、浓度为 20mM的2-巯基己胺中浸泡30h ；(6)取出后放进真空干燥箱干燥20min，将犬抗血清辅导到电极上连接犬抗血清， 静置6h后，犬免疫球蛋白传感器制备完成。使用时，将石英晶体微天平系统连接好，将其电极浸入被检测液中检测犬免疫球 蛋白浓度范围为0. lppb-100ppm。
权利要求
一种高灵敏度生物传感器，包括石英晶体微天平，其特征在于，石英晶体微天平的电极上沉积有高分子纤维，高分子纤维上喷覆有金属膜，金属膜上覆盖自组装材料，自组装材料连接生物传感材料。
2.权利要求1所述的高灵敏度生物传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤为第一步在室温下，将纺丝高分子原料用磁力搅拌器以50-2500rpm/min的转速搅拌溶解在溶剂中得到质量分数为5-30%的电纺原料；第二步在室温、湿度范围为40-60 %的条件下，将第一步得到的电纺原料以 0. Ι-lOmL/h的流速输入到喷丝头上，同时将喷丝头连接IO-SOkV电源进行静电纺丝制备纤 维；第三步将第二步纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上，接收电极与喷丝头之 间的距离为5-30cm ；第四步用真空金属溅射仪在第三步中沉积到石英晶体微天平电极上的纤维上喷覆金 属膜，喷覆时间为0. I-IOmin ；第五步将第四步得到的石英晶体微天平的电极放进自组装材料或交联材料中浸泡 l-40h ；第六步将石英晶体微天平的电极取出后，放进真空干燥箱干燥10-30min，连接生物 传感材料，放置l_30h，取出后得到高灵敏生物传感器。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中的纺丝高分子原料为聚 苯乙烯、聚亚乙基亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯胺、聚氧化乙烯、聚二苯胺、聚邻甲基苯胺、 聚环氧氯丙烷、聚异丁烯、聚己内酯、聚吡咯、聚醋酸乙烯酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚氨酯、 聚乳酸、聚偏氟乙烯、聚酯酰胺、聚碳酸酯、聚苯醚、聚-α-氨基酸、聚苯硫醚、环氧树脂和 聚硅氧烷中的一种或两种以上的混合物；或甲壳素、壳聚糖、葡聚糖、纤维蛋白、丝蛋白、琼 月旨、胶原、角叉胶、藻酸钠和藻酸钙中的一种或两种以上的混合物。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第一步中的溶剂为无水乙醇、甲 酸、四氢呋喃、N, N- 二甲基甲酰胺、N, N- 二甲基乙酰胺、丙酮、氯仿、二氯甲烷、甲醇、乙醚、 二甲基亚砜、苯、四氯化碳、二氯乙烷、三氯乙烷、氯乙烯、乙烷、环丁砜、嘧啶、甲酰胺、己烷、 氯苯、乙腈、甲苯、甲基环己烷、二氯乙烯、二甲苯、环己烷、N-甲基吡咯烷酮、丙烷、戊烷、乙 酸、苯甲醚、丙醇、戊醇、乙酸丁酯、三丁甲基乙醚、异丙基苯、甲酸乙酯、乙酸甲酯、甲基异丁 酮、甲烷、丙烷、异辛烷、异丙醚、甲基异丙酮、石油醚、三氯乙酸、三氟乙酸和吡啶中的一种 或两种以上的混合物。
5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第四步中的金属膜为钼金膜、黄金 膜、银膜或铜膜。
6.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第五步中的自组装材料为巯基酸、 巯基胺、硫辛酸、硫代酸、酰胺酸、硫醇、乙二醛或甘油。
7.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述第六步中的生物传感材料为氯霉 素抗体、肝素、生化细菌抗体、沙门氏菌抗体、大肠杆菌抗体、流感病毒抗体、血凝素、神经节 苷脂、酶、核苷酸、内皮素、牛流行热病毒抗体、人抗血清、动物抗血清、癌抗体、沙眼抗体、抗 生物素蛋白或抗生物素肽。
全文摘要
本发明提供了一种高灵敏度生物传感器及其制备方法。所述的高灵敏度生物传感器包括石英晶体微天平，其特征在于，石英晶体微天平的电极上沉积有高分子纤维，高分子纤维上喷覆有金属膜，金属膜上覆盖自组装材料，自组装材料连接生物传感材料。所述的制备方法，其特征在于，具体步骤为将纺丝高分子原料溶解在溶剂中得到电纺原料；将电纺原料进行静电纺丝；将纺出的纤维沉积到石英晶体微天平的电极上；在纤维上喷覆金属膜；将石英晶体微天平的电极放进自组装材料溶液中浸泡；将石英晶体微天平的电极取出后，干燥，连接生物传感材料，取出后得到高灵敏生物传感器。本发明的优点是灵敏度高，并能精确地定量检测。
文档编号G01N27/327GK101865874SQ20101019787
公开日2010年10月20日 申请日期2010年6月11日 优先权日2010年6月11日
发明者丁彬, 俞建勇, 孙刚, 孙敏 申请人:东华大学