一种基于纳米粒子组装体的生物传感器的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于纳米粒子组装体的生物传感器，包括基底、设置在基底上表面的纳米粒子组装体、以及检测传感器。本发明的有益效果是：纳米粒子一维组装体具有特殊的电子学和光学特性，以纳米粒子组装体为核心元件构造的生物传感器将是一种新型的传感器件，其结构的特殊性则决定了其独有的传感机理和器件性能，为生物传感领域提供了一种新型的传感器件。
【专利说明】一种基于纳米粒子组装体的生物传感器
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种基于纳米粒子组装体的生物传感器。
【背景技术】
[0002]纳米材料是指三维空间中至少有一维处于纳米尺度(1-100纳米)范围内的材料或由它们作为基本单元组装而成的结构材料。纳米材料表现出许多既不同于微观粒子又不同于宏观物体的特性，比如比表面积大、表面反应活性高、表面原子配位不全等导致表面的活性位点增加、催化效率高、吸附能力强等特点。目前，基于纳米材料的生物传感器主要有纳米粒子生物传感器、纳米棒或纳米线生物传感器、碳纳米材料生物传感器、片状或层状纳米材料生物传感器。其中，基于纳米粒子的生物传感器制作方法中，主要采用二氧化钛、金、银、钼、钯和二氧化硅等纳米粒子与生物酶分子混合，然后将得到的溶液滴加或旋涂在电化学电极上，制成酶电极，也就是一种电化学生物传感器。然而，这种传感器仅仅利用了单个纳米粒子的纳米效应，其应用范围有限。
[0003]纳米粒子的特定组装体相对于单个纳米粒子来说具有独特的电子、化学和光学特性。纳米粒子可以组装成一维链状、二维平面、三维立体结构。纳米粒子一维组装体的特性最为特殊，比如纳米粒子的一维组装体具有非线性电子传输特性，在电子学器件的微型化设计中，可用于纳米电路中的导线和电子学传感器；一维组装体中金属纳米粒子之间的局域等离子体共振耦合可以使光波在一维组装体中传播数百个纳米，可以制造基于等离子体的光波导及传感器件。其中，组装体中纳米粒子之间的间距及组装体形貌对其光电特性具有调节作用。
【发明内容】
[0004]本发明要解决的技术问题是提供一种基于纳米粒子组装体的生物传感器。
[0005]本发明是通过以下技术方案来实现:
[0006]一种基于纳米粒子组装体的生物传感器，包括基底、设置在基底上表面的纳米粒子组装体、以及检测传感器。
[0007]作为一种方式，所述检测传感器为光波导生物传感器。
[0008]作为另一种方式，所述检测传感器为电子学生物传感器，所述基底上表面两端分别设置有接触电极，所述纳米粒子组装体设置在接触电极之间，所述电子学生物传感器通过导线与接触电极连接。
[0009]一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，依次包括以下步骤:
[0010]I)通过化学合成方法所制备的纳米粒子表面通常带有正电荷或负电荷，或者对某些合成后不带电荷的纳米粒子进行相应的化学修饰使其带正电荷或负电荷，形成纳米粒子溶液；
[0011]2)将纳米粒子溶液中的纳米粒子固定在基底上表面形成纳米粒子组装体。
[0012]用于电子学生物传感器，还需要以下步骤:
[0013]3)电极制作:在带有纳米粒子组装体的基底上表面旋涂一层厚度为200纳米的PMMA胶层，经过电子束光刻、显影、干燥、沉积5nmTi/50nm Au、lift-off工艺后,在纳米粒子组装体的两端形成接触电极。
[0014]进一步,步骤I)为在回流搅拌下将10mL 1% (w/v)的四水合氯金酸溶液加热至沸腾，然后将4mL 1% (w/v)的柠檬酸三钠溶液迅速加入到氯金酸溶液中，反应溶液颜色变化依次为:淡黄色、无色、黑色、酒红色。溶液保持沸腾15分钟后，关闭热源，自然冷却至室温。
[0015]进一步,步骤2)为带电荷的纳米粒子在水溶液中通过静电吸附力固定在带相反电荷的基底上，形成纳米粒子组装体。
[0016]进一步，在ImL纳米粒子溶液中加入10μ L的1mM?IM的十六烷基三甲基溴化铵溶液，CTAB分子将诱导纳米粒子形成一维链状组装体，然后，将3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰的石英基底浸入到上述溶液中，反应I?6小时后，在石英表面形成纳米粒子组装体。
[0017]进一步，步骤2)为利用纳米加工方法，在基底上制作纳米沟槽结构，然后带电荷的纳米粒子在水溶液中通过静电吸附力或者电场诱导将纳米粒子组装到这些纳米沟槽中，形成纳米粒子组装体。
[0018]进一步，在APTES修饰的基底上旋涂一层厚度为50纳米的PMMA胶层，经过电子束光亥IJ、显影、干燥后，在PMMA胶层上形成纳米沟槽结构，然后，将纳米模板浸入纳米粒子溶液中，反应I?12小时后，再放入丙酮中反应20分钟，在纳米沟槽内面形成纳米粒子组装体。
[0019]本发明的有益效果是:纳米粒子一维组装体具有特殊的电子学和光学特性，以纳米粒子组装体为核心元件构造的生物传感器将是一种新型的传感器件，其结构的特殊性则决定了其独有的传感机理和器件性能，为生物传感领域提供了一种新型的传感器件。
【专利附图】
【附图说明】
[0020]图1为本发明的一种实施方式结构示意图。
[0021]图2为本发明的另一种实施方式结构示意图。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
[0023]如图1所示，基于纳米粒子组装体的生物传感器，包括基底1、设置在基底I上表面的纳米粒子组装体2、以及检测传感器，所述检测传感器为光波导生物传感器3。
[0024]如图2所示，基于纳米粒子组装体的生物传感器，包括基底1、设置在基底I上表面的纳米粒子组装体2、以及检测传感器，所述检测传感器为电子学生物传感器4，所述基底I上表面两端分别设置有接触电极5，所述纳米粒子组装体2设置在接触电极5之间，所述电子学生物传感器4通过导线与接触电极连接5。
[0025]实施例
[0026]1、在基底上制作纳米粒子的一维组装结构
[0027]通过化学合成方法所制备的纳米粒子表面通常带有正电荷或负电荷，或者对某些合成后不带电荷的纳米粒子进行相应的化学修饰使其带正电荷或负电荷。总之，通过适当的化学修饰策略可以将各种纳米粒子分散于水溶液中，使纳米粒子表面带正电荷或负电荷。例如，合成表面带负电荷的直径为18纳米的纳米粒子方法是，在回流搅拌下将10mL1% (w/v)的四水合氯金酸溶液加热至沸腾，然后将4mL 1% (w/v)的柠檬酸三钠溶液迅速加入到氯金酸溶液中，反应溶液颜色变化依次为:淡黄色、无色、黑色、酒红色。溶液保持沸腾15分钟后，关闭热源，自然冷却至室温，冰箱冷藏可保存I年以上。
[0028]有至少两种方法在固相基底上制作纳米粒子的一维组装体，以18纳米的胶体纳米粒子为例:
[0029]I)先组装后固定
[0030]带电荷的纳米粒子在水溶液中可以通过静电吸附力固定在带相反电荷的基底上。例如，在ImL上述所合成的纳米粒子溶液中加入10 μ L的1mM?IM的十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)溶液，CTAB分子将诱导纳米粒子形成一维链状组装体。这里，不限于使用CATB分子，其他类似的化学分子也可以用来诱导形成纳米粒子的一维组装体。然后，将3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰的石英基底浸入到上述溶液中，反应I?6小时后，在石英表面形成纳米粒子的一维组装体。这里，通过其它化学方法修饰的表面带正电荷的石英基底也适用。
[0031]2)固相模板自组装
[0032]利用纳米加工方法，比如电子束光刻技术，可以在基底上制作何种形貌的纳米沟槽结构，然后带电荷的纳米粒子在水溶液中可以通过静电吸附力或者电场诱导的方法将纳米粒子组装到这些纳米沟槽中，形成纳米粒子的一维组装体。例如,在APTES修饰的娃片、氧化硅片或石英基底上旋涂一层厚度为50纳米的PMMA胶层，经过电子束光刻、显影、干燥后，在PMMA胶层上形成各种形貌的纳米沟槽结构。然后，将纳米模板浸入胶体金溶液中，反应I?12小时后，再放入丙酮中反应20分钟，这就在纳米沟槽内面形成纳米粒子的一维组装体。
[0033]2、电极制作
[0034]在上述带有纳米粒子组装体的基底表面旋涂一层厚度为200纳米的PMMA胶层，经过电子束光刻、显影、干燥、沉积5nmTi/50nm Au、lift-off等工艺后,在纳米粒子组装体的两端形成接触电极。
[0035]3、生物分子修饰
[0036]将上述基底浸入到5mM的巯基i^一酸(MUA)的乙醇溶液中反应2?12小时，然后浸入到EDC/NHS(40mM/10mM)的水溶液中反应20分钟，之后再浸入到50 μ g/mL?5mg/mL的各种生物分子溶液当中，反应I小时?18小时,生物分子包括抗体、酶分子、DAN分子等。
[0037]4、电子学生物传感和光波导生物传感测试
[0038]I)光波导生物传感器
[0039]将生物分子修饰后的基底置于在暗场显微镜下，利用聚焦激光束照射纳米粒子组装体的一端，选择适当波长的激光光源可激发纳米粒子表面等离子体发生共振并传导至组装体的另一端，再通过暗场显微镜进行观测记录，通过测量光学信号的变化可以得知待测物的浓度。
[0040]2)电子学生物传感器
[0041]将生物分子修饰后的基底连接电子学信号测试仪器上，然后进行目标待测物的检测，通过测量生物分子反应所引起的电子学信号的变化可以得知待测物的浓度。
【权利要求】
1.一种基于纳米粒子组装体的生物传感器，其特征在于，包括基底、设置在基底上表面的纳米粒子组装体、以及检测传感器。
2.根据权利要求1所述的所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器，其特征在于，所述检测传感器为光波导生物传感器。
3.根据权利要求1所述的所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器，其特征在于，所述检测传感器为电子学生物传感器，所述基底上表面两端分别设置有接触电极，所述纳米粒子组装体设置在接触电极之间，所述电子学生物传感器通过导线与接触电极连接。
4.一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，依次包括以下步骤: 1)通过化学合成方法所制备的纳米粒子表面通常带有正电荷或负电荷，或者对某些合成后不带电荷的纳米粒子进行相应的化学修饰使其带正电荷或负电荷，形成纳米粒子溶液； 2)将纳米粒子溶液中的纳米粒子固定在基底上表面形成纳米粒子组装体。
5.根据权利要求4所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，还包括以下步骤: 3)电极制作:在带有纳米粒子组装体的基底上表面旋涂一层厚度为200纳米的PMMA胶层，经过电子束光刻、显影、干燥、沉积5nmTi/50nm Au、lift-off工艺后,在纳米粒子组装体的两端形成接触电极。
6.根据权利要求4或5所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，步骤I)为在回流搅拌下将10mL 1% (w/v)的四水合氯金酸溶液加热至沸腾，然后将4mL 1% (w/v)的柠檬酸三钠溶液迅速加入到氯金酸溶液中，反应溶液颜色变化依次为:淡黄色、无色、黑色、酒红色。溶液保持沸腾15分钟后，关闭热源，自然冷却至室温。
7.根据权利要求4或5所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，步骤2)为带电荷的纳米粒子在水溶液中通过静电吸附力固定在带相反电荷的基底上，形成纳米粒子组装体。
8.根据权利要求7所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，在ImL纳米粒子溶液中加入1yL的1mM?IM的十六烷基三甲基溴化铵溶液，CTAB分子将诱导纳米粒子形成一维链状组装体，然后，将3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES)修饰的石英基底浸入到上述溶液中，反应I?6小时后，在石英表面形成纳米粒子组装体。
9.根据权利要求4或5所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，步骤2)为利用纳米加工方法，在基底上制作纳米沟槽结构，然后带电荷的纳米粒子在水溶液中通过静电吸附力或者电场诱导将纳米粒子组装到这些纳米沟槽中，形成纳米粒子组装体。
10.根据权利要求9所述的一种基于纳米粒子组装体的生物传感器用纳米粒子组装体固定方法，其特征在于，在APTES修饰的基底上旋涂一层厚度为50纳米的PMMA胶层，经过电子束光刻、显影、干燥后，在PMMA胶层上形成纳米沟槽结构，然后，将纳米模板浸入纳米粒子溶液中，反应I?12小时后，再放入丙酮中反应20分钟，在纳米沟槽内面形成纳米粒子组装体。
【文档编号】G01N21/552GK104359869SQ201410660545
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年11月18日 优先权日:2014年11月18日
【发明者】张志强, 黎海文, 吴一辉 申请人:中国科学院苏州生物医学工程技术研究所