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CN103424376A - 一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法 - Google Patents

一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法 Download PDF

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CN103424376A CN2013103334298A CN201310333429A CN103424376A CN 103424376 A CN103424376 A CN 103424376A CN 2013103334298 A CN2013103334298 A CN 2013103334298A CN 201310333429 A CN201310333429 A CN 201310333429A CN 103424376 A CN103424376 A CN 103424376A
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Abstract

本发明公开了一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法，它包括基底层（1），基底层（1）的上表面是钛薄膜层（2），钛薄膜层（2）的上表面是光栅波导层；制备方法包括步骤1、基底层镀膜，在选取的基底层（1）上镀上一层钛薄膜层（2）；步骤2、清洗，将镀膜后的基底座清洗干净；步骤3、光栅加工，将步骤2清洗干净的基底座加工成阵列的二氧化钛和空气的周期性光栅；步骤4、将步骤3加工好光栅的基底座清洗干净；步骤5、将步骤4加工好光栅的基底座用化学方法镀上低折射率有机物介质；解决了现有技术的生物芯片存在的体积大、成本高、构造复杂，不利用商业化普及或体积虽小、价格便宜，但是存在温度补偿缺点等问题。

Description

一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法
技术领域
 本发明属于生物芯片技术，尤其涉及一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法。
背景技术
目前科学研究发现，疾病的不同阶段，甚至是没有任何症状的疾病早期阶段，人的体液中蛋白质的水平就已经发生了变化，进而影响器官、组织和有机体的功能，表现为临床疾病的发生，快速而有效地检测人体液内蛋白质的水平，对于疾病的预防、诊断和治疗有重大的意义。另外，传统的生化分析技术检测蛋白质的水平需要繁杂的工序，即耗时又不能做到无损检测，同时也给病人的身心带来极大的痛苦，且加重了病人的经济负担。
按照目前的认识，人体中存在着10万种以上的蛋白质．各自具有不同的结构和生理功能。同DNA分子相比，蛋白质分子的空间结构复杂，其生物活性与空间结构密切相关，使得蛋白质不能被简单地扩增或原位合成，难以利用“拷贝”的方式来提高检测的灵敏度．其次，蛋白质问的相互作用无序列可循．而是类似于抗原一抗体相互作用的特异结合性，另外．在操作过程中，蛋白质很容易变性。因此，发展蛋白质芯片是非常困难的，成为生物芯片领域的挑战。
1990年Herry等提出生物免疫芯片的概念以来，由于其在医疗诊断、筛查等方面的优越性，生物免疫芯片取得了很大的发展，其覆盖范围从基因、蛋白质到细胞等许多生物样品。生物免疫芯片的工作原理与传统的免疫学方法类似，即将抗原或抗体固定在支持物的表面，来检测待测样品中的抗原或抗体。
目前，市场上生物芯片的商用产品主要有瑞典Biacore AB公司的Biacoret3000系列产品，美国Affinity Sensors公司的Iasys system系列产品，日本Nippon Laser Electronics 公司的SpR-670，德国Biotul AG系列产品；在国内，中科研究院电子所开发的SPR-2000，以及中科院力学所历经十多年的努力开发的准商用椭偏成像技术的蛋白质芯片生物芯片，这些生物芯片的主要缺点是体积大、成本高、构造复杂，不利用商业化普及；美国Texas Instrument开发的Sprecta一系列模块生物芯片虽然体积小、价格便宜，但是存在温度补偿等缺点；所以，开发出一种快速、并行、集成化的，且价格低廉的生物芯片和相关配套的产品是现在和今后相当长一段时间内科学研究中的焦点问题之一。
发明内容
本发明要解决的技术问题： 提供一种基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法，以解决现有技术的生物芯片存在的体积大、成本高、构造复杂，不利用商业化普及或体积虽小、价格便宜，但是存在温度补偿缺点等问题。
本发明技术方案：
一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，它包括基底层，基底层的上表面是钛薄膜层，钛薄膜层的上表面是光栅波导层。
基底层为石英或玻璃。
光栅波导层包括二氧化钛介质和低折射率有机物介质，低折射率有机物介质填充在二氧化钛介质之间。
低折射率有机物介质的折射率为1.40—1.60，所述的低折射率有机物介质为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜，或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜与硅烷偶联剂组成的混合物薄膜。
硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
一种基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法：它包括下述步骤：
步骤1、基底层镀膜，在选取的基底层上镀上一层钛薄膜层；
步骤2、清洗，将镀膜后的基底座清洗干净；
步骤3、光栅加工，将步骤2清洗干净的基底座加工成阵列的二氧化钛和空气的周期性光栅；
步骤4、将步骤3加工好光栅的基底座清洗干净；
步骤5、将步骤4加工好光栅的基底座用化学方法镀上低折射率有机物介质。
步骤1所述的基底层上镀上一层钛薄膜层采用蒸镀，钛薄膜层的厚度为1—3um。
步骤3光栅加工方法为：将基底座放在原子力显微镜的大样品扫描台上，选择“纳米加工模式”输入光栅结构阵列位图，设定电压8.2V，电压脉宽87ms，扫描频率0.2HZ，并同时充入流速为0.1ml/s的干燥空气，开始加工，形成阵列的                                                
Figure 2013103334298100002DEST_PATH_IMAGE001
和空气的周期性光栅。
步骤5所述的化学方法为水溶液法或浸镀法。
本发明的有益效果： 
介质光栅导模共振技术的生物芯片是以衍射光栅为基础激发波导产生导模，而导模的产生和传输与被检测的蛋白质膜层的折射率、厚度和密度、分子量等有着密切的关系，通过对接收光信号的测量进而得出蛋白质分子膜层折射率、厚度和密度、分子量的信息，实现对待测蛋白质分子的测定的一种快速、无损的传感器件。与其它电化学方法相比，利用光学生物传技术检测蛋白质水平有许多优点，主要包括：检测速度快、精度高、不破坏蛋白质的性能和结构，具有无损检测的优点。另外，也易于实现器件微型化、样品消耗量达到微升的量级，这对于减少病人的痛苦、降低医疗成本方面有重要的意义。
光栅导模共振技术的蛋白质生物传感器的核心技术是传感基底的制备，它决定了生物传感器的性能。
本发明所提出的基于光栅导模共振技术的生物芯片及其制备方法具体具有下述特点：1、传感机理是为导膜共振光栅为敏感单元，易于批量的加工，与现行的Ic工艺兼容，也易于与其它的光学器件集成为微型化集成器件，减小了整个系统的体积，同时可以大大地减小待测样品的消费量，减少病人血液提取量；2、这种集成光波导的结构也易于实现待测样品的微区点样，利用喷涂技术精确地将待测样品加到检测区，进一步减少了样器的消费量，综合起来可以控制样器消费量为微升；3、本发明采用的是基于光栅层模共振机理的技术，实质上是光与待测样品之间相互作用，这能够实现对样品实时、无损检测，且可重复测量而不破坏待测样品，这也传统的电化学方法、PCR方法、电泳法等检测优点明显，传统的电化学法对蛋白质样品有坏破作用；4、本发明采用多通道同时检测的技术，可实现并行快速检测，也不需要外加的降温设备因为核心检测区光的发热量微小；5、本发明制作方法通用部分与传统的Ic工艺兼容，包括二氧化钛镀膜，有机物镀膜的方法应用传统的化学镀膜方法可以很容易实现如浸镀法、溶液镀膜法等，且成本低；6、光栅波导制作区采用阳极氧化法在二氧化钛表面周期性的氧形成周期性的二氧化钛—空气的周期性结构，其中无论从阵列式的加工还是精确的加工方法上来讲，原子力显微镜是一种极好阳极氧化加工工具目前，国产的原子力显微镜的价格远低于Ic工艺中阳极氧化工艺设备，且精度无原子力显微镜高，另外，采用有机物低折射率介质形成二氧化钛—低折射率有机物的周期性结构，使得光栅传输导膜对蛋白质分子膜层的折射率变化非常敏感，且相比直接在光栅上形成的蛋白质分子膜层要均匀，从而提高了检测精度；7、在钛表面氧阳氧化加工形成二氧化钛—空气周期性光栅结构标准化，易于批量生产，也就是将基底座放在原子力显微镱下大样品扫描台上,选择“纳米加工模式”输入光栅结构阵列位图，设定电压8.2V，电压脉宽87ms，扫描频率0.2HZ，并同时充入流速为0.1ml/s的干燥空气，开始加工，形成阵列的
Figure 793160DEST_PATH_IMAGE001
和空气的周期性光栅。本发明解决了现有技术的生物芯片存在的体积大、成本高、构造复杂，不利用商业化普及或体积虽小、价格便宜，但是存在温度补偿缺点等问题。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明光栅敏感区导模共振结构示意图；
图3为本发明阵列生物芯片示意图；
图4为本发明光栅波导的复合折射率与被测蛋白质分子膜层的折射率关系示意图。
实施例：
一种基于光栅导模共振技术的生物芯片（见附图1），它包括基底层1，基底层1的上表面是钛薄膜层2，钛薄膜层2的上表面是光栅波导层。
基底层1为石英或玻璃。
光栅波导层包括二氧化钛介质3和低折射率有机物介质4，低折射率有机物介质4填充在二氧化钛介质3之间。
低折射率有机物介质4的折射率为1.40—1.60，所述的低折射率有机物介质4为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜，或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜与硅烷偶联剂组成的混合物薄膜。
硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
基底层1用于光信号传输波导和生物芯片传感区域；钛薄膜层2用于阳极法氧化产生TiO2与空气周期性光栅，波导辐射模的传输层；光栅波导层，用于光栅产生衍射及传输波导的导模层和生物芯片敏感区域；抗原也叫抗体层，用于固定待检测的单克隆抗体即抗原。
光栅波导层的工作原理如下：
光栅波导层结构如附图2所示，波导为光栅区域，光栅区域波导由
Figure 561265DEST_PATH_IMAGE002
介质3和低折射率有机物介质组成的周期性光栅，其光栅区域的折射率可以用复合折射率描述
Figure DEST_PATH_IMAGE003
       (1)
其中，
Figure 647164DEST_PATH_IMAGE004
为
Figure 829333DEST_PATH_IMAGE002
介质的折射率，为填充的低折射率有机物介质的折射率， 
Figure 658880DEST_PATH_IMAGE006
为填充因子，与光栅的周期有关。基底为金属
Figure DEST_PATH_IMAGE007
，折射率为
Figure 904660DEST_PATH_IMAGE008
，厚度为2μm，光栅敏感区上面的待测蛋白质膜层的折射率为。
某一波长平面光波从待测蛋白质分子膜层上方以一定角度入射到光栅表面时，发生衍射，形成多个级次的衍射光波，当某一级衍射光波矢在横向的波矢分量与波导支持的传播常数相等，则激发导模共振，入射光能量大部分耦合到波导内，以导模形式在波导内传播。某一级衍射光波矢在横向的波矢分量
              
Figure 427039DEST_PATH_IMAGE010
       （
Figure DEST_PATH_IMAGE011
）  （2）
其中
Figure 131340DEST_PATH_IMAGE012
为空气中的波矢，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
为空气的折射率，
Figure 764577DEST_PATH_IMAGE014
为空气中的入射角，
Figure DEST_PATH_IMAGE015
为光栅的周期，为衍射光的级次。如果某一高级次衍射光波激发导模产生导模共振，则满足波矢匹配条件
                       （
Figure DEST_PATH_IMAGE019
）     （3）
Figure 620462DEST_PATH_IMAGE020
表示
Figure DEST_PATH_IMAGE021
阶导模的传播常数，根据有效折射率的定义
          
Figure 800340DEST_PATH_IMAGE022
                        （4）
结合（1）、（2）、（3）式可以得到产生导模共振时入射角与有效折射率之间的关系
         
Figure DEST_PATH_IMAGE023
                 （5）
给定波导及相邻介质折射率，即给定
Figure 971689DEST_PATH_IMAGE024
、
Figure 568892DEST_PATH_IMAGE008
、
Figure 305511DEST_PATH_IMAGE009
值，对应于某一波长，波导支持有限个模式，即有效折射取几个独立的值。
在光栅波导层内导模存在条件为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
     （
Figure 981474DEST_PATH_IMAGE019
）    (6)
式中
Figure 330416DEST_PATH_IMAGE026
为波导内沿垂直
Figure DEST_PATH_IMAGE027
方向的波矢，
Figure 145575DEST_PATH_IMAGE028
为波导的厚度，
Figure DEST_PATH_IMAGE029
、
Figure 180658DEST_PATH_IMAGE030
为光在波导上下界面发生全反射时的相移，其中
                                        (7)
                                    (8) 
Figure DEST_PATH_IMAGE033
                                   （9）
考虑
Figure 119719DEST_PATH_IMAGE034
阶导模的有效折射率变化，即(6)式中取
Figure DEST_PATH_IMAGE035
，将(7)、(8)、（9）式代入(6)式化为
     
Figure 66682DEST_PATH_IMAGE036
        （10）
对于
Figure DEST_PATH_IMAGE037
，
Figure 7088DEST_PATH_IMAGE038
，
Figure DEST_PATH_IMAGE039
，
Figure 592396DEST_PATH_IMAGE040
，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
，
Figure 909239DEST_PATH_IMAGE042
由(1)式
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，则上式支持的模式
Figure 964570DEST_PATH_IMAGE044
为一确定值。系统的折射率灵敏度是有效折射的函数，通过计算可知，在
Figure 951243DEST_PATH_IMAGE037
时，
Figure DEST_PATH_IMAGE045
范围内，当
Figure 86164DEST_PATH_IMAGE046
时，折射率灵敏度有最大值，即。因此，上式中在待测介质折射率时，取支持的导模模式为
Figure 221928DEST_PATH_IMAGE046
，则由（10）式求解出满足
Figure 636292DEST_PATH_IMAGE034
阶导模存在的波导厚度。
当光栅波导的抗原(抗体)后，改变了
Figure 169353DEST_PATH_IMAGE009
的大小，其改变量与膜层增加的厚度可以用Feijter公式描述，形成分子膜层的质量密度，对于大部分蛋白质吸附的计算值一般取
Figure DEST_PATH_IMAGE049
。
Figure 927837DEST_PATH_IMAGE050
                  （11）
式中
Figure 20426DEST_PATH_IMAGE009
、
Figure DEST_PATH_IMAGE051
为分子膜层的折射率、厚度，
Figure 867291DEST_PATH_IMAGE052
为环境溶液的折射率，
Figure DEST_PATH_IMAGE053
为折射率对检测溶液浓度增长率， 
模拟光栅波导区的复合折射率与蛋白质分子膜层形成折射率之间的关系见附图3。
     光栅导模共振生物芯片的检测灵敏度：
有效折射率对检测蛋白质分子模层的厚度灵敏度
Figure 332557DEST_PATH_IMAGE054
入射光波的入射角对检测蛋白质分子模层的厚度灵敏度
Figure DEST_PATH_IMAGE055
取上述参数计算按上述参数计算：入射角在
Figure 948477DEST_PATH_IMAGE056
处发生导模共振，角度对厚度的灵敏度，可检测的最小厚度变化
Figure 835137DEST_PATH_IMAGE058
，其中，，
Figure 169298DEST_PATH_IMAGE060
为偶合进波导的能量变化率。
基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法：它包括下述步骤：
步骤1、基底层镀膜，将切好的规格为3mm厚的基底层1镀上一层钛薄膜层2，采用蒸镀的方式，钛薄膜层2的厚度为1—3um。然后将其切成切成20mm*10mm*3mm规格的小块；
步骤2、清洗，将镀膜切好的基底座清洗干净；
步骤3、光栅加工，将步骤2清洗干净的基底座加工成阵列的二氧化钛和空气的周期性光栅；将基底座放在原子力显微镜下大样器扫描台上,选择“纳米加工模式”输入光栅结构阵列位图，设定电压8.2V，电压脉宽87ms，扫描频率0.2HZ，并同时充入流速为0.1ml/s的干燥空气，开始加工，形成阵列的
Figure 59761DEST_PATH_IMAGE001
和空气的周期性光栅。
步骤4、将步骤3加工好光栅的基底座清洗干净；
步骤5、将步骤4加工好光栅的基底座用水溶液法或浸镀法等化学方法镀上低折射率有机物介质，低折射率有机物介质选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，其厚度与光栅的厚度相同，放入干燥恒温箱中静置待用；低折射有机介质的选取应遵循周期性光栅形成的光波导层的复合折射率公式
说明：在方案中，选取填充因子
Figure DEST_PATH_IMAGE061
之间，而
Figure 230159DEST_PATH_IMAGE040
为
Figure 363200DEST_PATH_IMAGE001
的折射率，低折射率有机物的折射率取之间（因为形成的复合折射率在这一区间对蛋白质分子膜层敏感，另计算详见文本中的公式（11）也可说明，这里的低折射率有机物介质可选用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）薄膜，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚丙烯酸酯，及它们与硅烷偶联剂（γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷，也称Kh-560，γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷，也称Kh-570）组成的混合物。

Claims (9)

1.一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，其特征在于：它包括基底层（1），基底层（1）的上表面是钛薄膜层（2），钛薄膜层（2）的上表面是光栅波导层。
2.根据权利要求1所述的一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，其特征在于：基底层（1）为石英或玻璃。
3.根据权利要求1所述的一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，其特征在于：光栅波导层包括二氧化钛介质（3）和低折射率有机物介质（4），低折射率有机物介质（4）填充在二氧化钛介质（3）之间。
4.根据权利要求3所述的一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，其特征在于：低折射率有机物介质（4）的折射率为1.40—1.60，所述的低折射率有机物介质（4）为聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜，或聚甲基丙烯酸甲酯PMMA薄膜、聚二甲基硅氧烷PDMS薄膜、聚丙烯酸酯薄膜与硅烷偶联剂组成的混合物薄膜。
5.根据权利要求4所述的一种基于光栅导模共振技术的生物芯片，其特征在于：硅烷偶联剂为γ-环氧丙氧基丙基三甲氧基硅烷或γ-甲基丙烯酰氧基丙基三甲氧基硅烷。
6.如权利要求1所述的基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法：它包括下述步骤：
步骤1、基底层镀膜，在选取的基底层（1）上镀上一层钛薄膜层（2）；
步骤2、清洗，将镀膜后的基底座清洗干净；
步骤3、光栅加工，将步骤2清洗干净的基底座加工成阵列的二氧化钛和空气的周期性光栅；
步骤4、将步骤3加工好光栅的基底座清洗干净；
步骤5、将步骤4加工好光栅的基底座用化学方法镀上低折射率有机物介质。
7.根据权利要求6所述的基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法，其特征在于：步骤1所述的基底层（1）上镀上一层钛薄膜层（2）采用蒸镀，钛薄膜层（2）的厚度为1—3um。
8.根据权利要求6所述的基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法，其特征在于：步骤3光栅加工方法为：将基底座放在原子力显微镜的大样品扫描台上，选择“纳米加工模式”输入光栅结构阵列位图，设定电压8.2V，电压脉宽87ms，扫描频率0.2HZ，并同时充入流速为0.1ml/s的干燥空气，开始加工，形成阵列的                                                
Figure 2013103334298100001DEST_PATH_IMAGE001
和空气的周期性光栅。
9.根据权利要求6所述的基于光栅导模共振技术的生物芯片的制备方法，其特征在于：步骤5所述的化学方法为水溶液法或浸镀法。
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CN106706564A (zh) * 2017-01-19 2017-05-24 河南师范大学 基于复合波导光栅的光学生物传感器

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