一种光学生物传感器及其热处理设备的制作方法

本实用新型涉及生化检测领域，具体地，本实用新型涉及一种光学生物传感器及其热处理设备。

背景技术：

光学生物传感器的检测工作原理主要是将金属纳米颗粒固定在基板上，然后修饰生物分子，根据金属纳米颗粒的LSPR效应，检测光学信号变化来判断生物分子的结合。

金属纳米颗粒的合成通常利用液相化学反应方法，根据目标金属的特定电极电势，选用相应的金属盐或金属有机化合物作为前驱体，在水或者有机溶剂中，利用还原剂、电化学、光化学或者生物化学的方法还原金属盐离子，或者借助超声、热分解金属化合物为金属单质，并根据需要选取相应表面活性剂、功能键以及聚合物作为保护剂，控制晶体的成核、生长速度及方向，制备既定大小和形貌的金属纳米颗粒。CN201210005733.5、CN201310407111.X等表述了金纳米颗粒的液相法合成路径。

就目前纳米材料的液相化学反应法制备而言，还不同程度地存在着颗粒团聚、粒径不均匀、纯度低、性能不稳定、合成路径较长、影响因素多、产率低下等问题。

化学合成的金属纳米颗粒溶液可以通过牛血清蛋白等修饰物对玻璃基板的亲和力固定在玻璃上，然而，单靠亲和力固定，存在稳定性差的问题，不利于长期保存。

现在也有研究用物理方法在玻璃上固定金属纳米颗粒，如在玻璃基板上镀膜后，然后对玻璃基板高温煅烧，电子束轰击，微波等离子体热处理等，但由于高温煅烧升降温过程较长，金颗粒易团聚，效率也低；电子束轰击，电子束作用面积有限，效率也不理想；微波等离子体热处理在规模化处理时，微波等离子体热处理的均匀性控制存在较大的技术难题，控制成本高。物理法制备金属纳米颗粒还普遍存在着耗时较长、效率不高、设备昂贵、步骤繁琐等不足。

技术实现要素：

本申请是基于实用新型人对以下事实和问题的发现和认识作出的：

对于生物传感器，其主要作用部件为金属纳米粒子，金属纳米粒子的质量影响着生物传感器的测试效果。目前的一些生物传感器，要么是金属纳米粒子与基板结合力不够，影响检测灵敏度，要么是测试过程中需要参比试样，检测操作繁琐。同时，对于生物传感器的制备，前期制备出稳定的、均匀的、能与基板紧密结合的金属纳米粒子是关键步骤。目前制备生物传感器的方法中，对于制备金属纳米粒子的方法，要么是得到的纳米粒子稳定性不足，要么是纳米粒子与基板的结合度不够，要么是对制备设备要求较高，要么是生产效率过低，或者是具备多种不足之处。

为此，本实用新型第一个方面提供了一种光学生物传感器，该光学生物传感器具有稳定性高、检测灵敏度高、操作方便等优点。

为实现上述目的，根据本实用新型的实施例提出一种光学生物传感器，所述光学生物传感器包括：基板单元，纳米粒子单元，检测单元，其特征在于：基板单元包括基板，所述基板具有透光性能，所述透光性能为透光率75％以上；所述纳米粒子单元包括金属纳米粒子，所述金属纳米粒子形成于所述基板表面；所述检测单元包括检测粒子，所述检测粒子连接在所述基板上，位于所述金属纳米粒子的空隙间。其中，所述金属纳米粒子是通过热处理而形成，具体的，是先在所述基板表面沉积至少一层金属薄膜，再将其置于网带炉中，在气体保护下热处理，以使所述金属薄膜熔融缩收而形成所述结合在该基板表面的金属纳米粒子。由此，可得到与基板表面紧密结合且均匀分布的金属纳米粒子，保证了生物传感器的稳定性。

根据本实用新型的一些实施方式，所述基板为玻璃、石英、透明陶瓷、聚合物或云母片。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属纳米粒子为金、银、铬的任一种或其组合。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属纳米粒子为铬与金的合金、铬与银的合金、铬与金银合金的合金。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属纳米粒子粒径为2-40nm。

根据本实用新型的一些实施方式，所述检测单元包括检测粒子，所述检测粒子为多肽、蛋白质、寡聚糖或脂类。

本实用新型第二方面提出了一种制备所述光学生物传感器的热处理设备，所述热处理设备为网带炉，包括：加热区、冷却区、上料区、下料区及网带。

根据本实用新型的一些实施方式，所述网带炉还包括机械手，可以使用机械手将所述基板置于网带炉中，在热处理结束后，再使用机械手将所述基板从网带炉中取下。

根据本实用新型的一些实施方式，所述网带炉还包括出气口、进气口。

根据本实用新型的一些实施方式，所述进气口设置在冷却区、加热区，所述出气口设置在加热区。

根据本实用新型的一些实施方式，所述加热区的热源为红外加热。

附图说明

图1显示了根据本实用新型实施例的生物传感器结构示意图。

图2显示了根据本实用新型实施例的生物传感器的制备方法流程图。

图3显示了根据本实用新型实施例的网带炉的结构示意图。

图4显示了根据本实用新型实施例的生物传感器修饰前后光谱变化图。

附图标记：基板单元100、纳米粒子单元200、检测单元300、待测物400；网带炉600、上料区610、下料区620、加热区630、冷却区640、网带650、出气口601、进气口602、机械手700。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的一个方面，本实用新型提出了一种制备光学生物传感器。根据本实用新型的实施例，该生物传感器包括基板单元100、纳米粒子单元200和检测单元300。

基板单元100包括基板，是为了后续制备纳米粒子提供支撑作用。本生物传感器的检测手段是基于光学测试，因此要求基板必须要有透光性能，以便于检测吸收光谱的变化。根据本实用新型的实施例，要求基板透光率大于75％。

所述基板材质为玻璃、石英、透明陶瓷、聚合物或云母片。人们可以根据需要，选择不同材料制作基板，只要透光率满足大于75％即可。例如，在一些实施例中，基板为玻璃，取材方便，价格低廉。在一些实施例中，基板材料为石英玻璃，透光率高，硬度高。在一些实施例中，基板材料为云母片或透明陶瓷，性质稳定，不易变形。

纳米粒子单元200形成于所述基板表面，其中，是先在所述基板表面沉积至少一层金属薄膜，再将其置于网带炉600中，在气体保护下热处理，以使所述金属薄膜熔融缩收而形成所述结合在该基板表面的金属纳米粒子。

在基板上形成纳米粒子后，由于纳米粒子的LSPR(局部表面粒子共振)效应，当有光透过基板时，在特定的位置会有消光强度的变化，而此变化也会受到纳米粒子的材质、大小、形状、粒子间距以及周围环境的介电常数等因素影响。因此，纳米粒子与基板相结合的稳定性、纳米粒子的均匀性以及制备方法的重现性，将影响到生物传感器的检测稳定性和检测灵敏度。本实用新型所得到的金属纳米粒子具有很好的稳定性和均匀性，因热处理的高温下，基板表面、金属薄膜会受热而变为熔融状态，此时金属粒子会扩散渗入到基板表面，同时，金属薄膜也会因熔融缩收和表面张力的作用而形成球形的纳米粒子，由此，形成了与基板表面紧密结合且均匀分布的金属纳米粒子。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属薄膜为金、银、铬或其组合。以得到更稳定的金属纳米粒子。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属薄膜为至少一层，与基板接触的底层为铬，上层沉积金、银或其组合。经过热处理后，在基板表面的金属薄膜成变化为相间隔的球形的金属纳米粒子。底层为铬金属薄膜，可以使形成的金属纳米粒子与基板之间具有更好的结合力。是由于铬更容易达到熔融状态，使部分铬离子渗透入基板中，形成更牢固的结合。基于此，由所述金属薄膜形成的所述金属纳米粒子为铬与金的合金、铬与银的合金、铬与金银合金的合金。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属薄膜厚度为1-20nm。薄膜的厚度决定着后续得到的纳米粒子的粒径，实用新型人通过大量的实验得知，薄膜厚度与金属纳米粒子的粒径成正比关系，但当薄膜厚度过薄或过厚都不利用在热处理时缩收得到纳米粒子。

根据本实用新型的一些实施方式，所述金属纳米粒子粒径为2-40nm。金属纳米粒子的粒径有和待测物400的粒子大小相适宜，以便得到更准确的检测结果。

检测单元300修饰在所述基板表面，并位于所述金属纳米粒子的间隔之间。所述检测单元300包括多数个检测粒子，在检测时用以捕获待测物400。所述检测单元300的检测粒子与目标待测物400形成专一性结合。换句话说，即特定的检测粒子可以和特定的目标待测物400相结合，可以根据需要目标待测物400的不同选择合适的检测粒子，使检测单元300能达到定性检测的效果。

具体的，在包埋了纳米粒子的基板上修饰上检测单元300，即可称之为生物传感器。由于纳米粒子的LSPR(局部表面粒子共振)效应，在纳米粒子单元200的间隔间修饰上检测单元300后，同样的在特定的位置会有消光强度的变化，在进一步捕获待测物400后，生物传感器的消光波长和消光强度会发生变化，人们即可根据消光波长和消光强度的变化来判断是否含有待测物400。

本实用新型第二方面提出了一种光学生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

S100：提供一基板，在所述基板上沉积金属薄膜层；

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述在沉积的方法是磁控溅射、热蒸发、电子束蒸发或其组合。在一些实施方式中，金属层是通过磁控溅射方法得到的，以便更好更均匀的形成于基板上，并能控制预定的金属层厚度。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述沉积金属薄膜层为先沉积一层铬，再沉积一层金、银或金银合金。经过热处理后，在基板表面的金属薄膜成变化为相间隔的球形的金属纳米粒子。底层为铬金属薄膜，可以使形成的金属纳米粒子与基板之间具有更好的结合力。是由于铬更容易达到熔融状态，使部分铬离子渗透入基板中，形成更牢固的结合。

S200：将所述基板置于网带炉600中，在保护气体、温度下进行热处理，使金属薄膜熔融为金属纳米粒子，成为纳米粒子单元200；

所述热处理，是指网带炉600提供的热量，使金属层在高温下熔融，并形成间隔距离相等且具有预定粒径的金属纳米粒子，进而使基板部分表面露出。所述金属纳米粒子的粒径会随着金属层的厚度的增加而增加，即可以通过控制制备的金属层的厚度来调节金属纳米粒子的粒径，得到预定粒径的金属纳米粒子，以便得到更高的检测灵敏度。经过热处理，不仅能使金属层变化为金属纳米粒子，还可使纳米粒子部分嵌入基板，固定纳米粒子，提高金属纳米粒子应用的稳定性。此外，也要根据金属层厚度的不同调节热处理时间的长度，当金属层越厚或面积越大，需要增加热处理时间以提供足够的热量使金属层达到熔融状态。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述网带炉600包括加热区630、冷却区640、上料区610、下料区620及网带650。所述加热区630有热源提供热处理所需热量，在一些实施方式中，热源可以为红外加热方式，以提供更稳定热量。

所述网带炉600还包括出气口601、进气口602，保护气体从进气口602进入，经过加热区630、冷却区640从出气口601流出。加热区630通保护气体以防止金属层或基板在热处理过程中发生氧化，冷却区640通以气体以防止热处理完成骤冷引起基板和纳米金属粒子的稳定性。所述网带650循环滚动，连接4个区，热处理过程是将所述复合元件放置在上料区610的网带650上，随着滚动的网带650，经过加热区630和冷却区640，到达下料区620，取下。此时经过热处理的复合元件表面的金属膜变化为预定粒径的金属纳米粒子。可以根据需要调节网带650的速率，使复合元件在加热区630停留的时间足够，以确保达到热处理效果。使用网带炉600进行热处理，可以实现基板的批量化连续生产，且操作简单，生产成本低，有利于实现工业化生产。

与现有的生物传感器的制备方法相比，本实用新型使用了网带炉600设备，在能得到性能优良的纳米粒子的同时可以实现连续不断的生产，简化了生产工艺，大大的提高了生产效率。如使用常规的加热设备进行热处理，一般需要经过升温程序、保温程序、降温程序来完成整个热处理过程。而本实用新型使用了网带炉600设备，滚动的网带650可以持续不断的将基板输送到加热区630，减少了升温程序和降温程序，生产效率提高了至少1/2。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，还包括以下步骤：使用机械手700将所述基板置于网带炉600中，在热处理结束后，再使用机械手700将所述基板从网带炉600中取下。采用机械手700放样和取样，流程可实现自动化，生产效率高。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述保护气体为氮气、氩气、二氧化碳的至少其中之一。在一些实施例中，保护气体所使用的气体为氮气，以便达到更好的热处理效果。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述温度为200℃～900℃。以达到更好的热处理效果。

S300：在所述基板表面修饰检测粒子成为检测单元300。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述检测粒子是指能与待测物400特异性结合的探针分子，如多肽、蛋白质、寡聚糖、脂类等，更具体的为阿达木单抗(TNF-a)，兔抗HCP抗体，羊抗兔带HRP的抗体，人IgG，甲胎蛋白，生物素，链霉亲和素等。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述修饰是在基板表面修饰检测粒子以形成检测单元300，进而制备成为光学生物感测器成品。具体的，是将所述基板在预设温度下浸泡于含有所述检测粒子的溶液中，经过预设时间后，使所述检测粒子结合于所述基板表面。

根据本实用新型的一些实施方式，在该步骤中，所述检测粒子的修饰，是根据目标待测物400的类型，选择能与目标待测物400形成专一性结合的检测粒子。为了使检测粒子能更好的修饰于所述基板表面，还可以先在基板表面修饰偶联剂。例如，当目标待测物400为卵白素时，可利用卵白素与生物素结合的专一性，采用生物素作为检测粒子，由于生物素无法直接与基板形成稳定结合，因此，可先利用较容易与基板结合又能与生物素形成结合键的胺丙烷基三甲氧基硅烷(APTMS)在该基板表面形成APTMS分子膜，再加入生物素，就能使生物素透过APTMS间接被修饰在基板表面的状态，使APTMS与生物素的结合体成为检测粒子，通过生物素与卵白素的专一性结合来测试是否由卵白素存在，因此，可利用该光学生物传感器基体来筛选卵白素。

综上所述，本实用新型提供了一种生物传感器及其制备方法，生物传感器包括基板单元100、纳米粒子单元200以及检测单元300，纳米粒子单元200是使用网带炉600对表面有金属层的基板进行热处理而形成，检测单元300是通过浸泡于含有检测粒子的溶液中而得到。总体来说，本实用新型提供生物传感器基体及其制备方法具备以下优点：

1、本生物传感器基体能简单、快速的定性检测待测物，通过基体吸附待测物前后的吸收峰强度的变化即可判断是否含有待测物，且检测灵敏度高，检测结果可靠有效。

2、本生物传感器基体应用范围广，检测单元可根据待测物的不同而选择不同的可与待测物形成专一性结合的检测粒子。

3、本实用新型的制备方法设备简单，容易操作，且制造效率高，利于工业化生产。

4、本实用新型的制备方法所得的生物传感器结构稳定，纳米粒子与基板结合牢固，不易脱落。

为了使本领域的技术人员更好地理解本实用新型的技术方案，下面进一步披露一些非限制实施例对本实用新型作进一步的详细说明。

本实用新型所使用的试剂均可以从市场上购得或者可以通过本实用新型所描述的方法制备而得。

本实用新型中，mmol表示毫摩尔，h表示小时，g表示克，ml表示毫升。

本实用新型中，镀膜设备为喷镀机Q150T ES、Quorum Q150RS，网带炉设备为HSH2503-0510Z型红外快烧网带炉，金属颗粒检测设备为Dimension Icon AFM，光度检测设备为Cary 5000紫外-可见-近红外分光光度计。

实施例1

将玻璃基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层0.5nm的铬膜，然后再镀上一层1nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为200℃。网带的传输速度为100mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例2

将玻璃基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层0.5nm的铬膜，然后再镀上一层2nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为400℃。网带的传输速度为200mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例3

将玻璃基板放入电子束蒸发设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层0.5nm的铬膜，然后再镀上一层4nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为400℃。网带的传输速度为300mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例4

将透明陶瓷基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层0.5nm的铬膜，然后再镀上一层6nm的金膜。用机械手将镀完膜的透明陶瓷基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为400℃。网带的传输速度为400mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例5

将玻璃基板放入热蒸发设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层0.5nm的铬膜，然后再镀上一层8nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为500℃。网带的传输速度为400mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例6

将玻璃基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层1nm的铬膜，然后再镀上一层8nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为600℃。网带的传输速度为600mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例7

将云母片基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层1nm的铬膜，然后再镀上一层5nm的金膜。用机械手将镀完膜的云母片基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为600℃。网带的传输速度为800mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例8

将玻璃基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层2nm的铬膜，然后再镀上一层10nm的金银合金膜(银含10％)。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氮气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为800℃。网带的传输速度为1000mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例9

将蓝宝石基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层2nm的铬膜，然后再镀上一层15nm的金膜。用机械手将镀完膜的蓝宝石基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氩气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为800℃。网带的传输速度为2000mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例10

将玻璃基板放入磁控溅射设备中，采用膜厚控制或时间控制模式，先镀一层2nm的铬膜，然后再镀上一层15nm的金膜。用机械手将镀完膜的玻璃基板放置在网带炉前端上，利用网带传送至红外快烧网带炉炉腔内。炉腔内通氩气保护气体，用红外石英灯管加热，用热电偶控温，炉腔温度控制为900℃。网带的传输速度为5000mm/min，网带上的样品到达网带炉后端，用机械手将样品取出，放入样品盒封装好。网带前段样品颜色为淡蓝，经过红外快烧网带炉的快速热处理，网带后端的样品颜色变为淡粉红色，结果见实验结果表格。

实施例1-10的实验结果

实施例11

将实施例5所得基板浸泡在10mM的APTMS溶液中，加热至70℃，维持2h，然后用PBS溶液，去离子水清洗3遍，氮气吹干。再将其浸泡在15w/w％GA溶液中，室温下维持1h，然后用PBS溶液，去离子水清洗3遍，氮气吹干。把已经处理好的基板放在干净的塑胶盒中，加入1ml阿达木单抗溶液，盖好盖子，放在4℃冰箱中1h，取出后用PBS溶液和超纯水冲洗玻璃基板各3次，氮气吹干。由此制得的生物传感器修饰前后光谱变化如图4所示。

本实用新型的方法已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在本实用新型内容、精神和范围内对本文所述的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本实用新型技术。本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都被视为包括在本实用新型内。