SPR生物传感芯片研发技术背景.doc
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1、SPR生物传感芯片新工艺研发的理论方案第一部分 SPR生物传感芯片研发技术背景1.1 SPR生物传感芯片的制备技术传感芯片是整个SPR系统的核心。SPR传感芯片可以是金属膜本身,但由于这种传感芯片没有选择性,只能在特定条件下采用,故常在金属膜表面固定一层具有分子识别功能的敏感膜。目前大多数SPR装置使用的都是金膜,迄今为止,有关金膜的修饰方法主要有如下几类:1.1.1 物理吸附技术将物质分子通过简单的物理吸附的方法吸附在传感芯片表面,分子与金膜之间通过疏水作用、静电作用、范德华力等结合在一起,这是SPR技术最初应用时采用的方法。该技术的特点是方法简单,适用于许多种类的物质分子。但是这个方法的缺
2、点也是明显的,即物质分子在芯片表面吸附的不牢固,时间长会脱落;难以形成稳定的分子;固定量也难以控制;生物分子在金表面容易丧失活性,尤其是在温度、酸碱度以及离子强度发生变化时更易失活;固定分子的取向也难以控制。1.1.2 LB膜技术LB膜技术是20世纪20-30年代由美国科学家Langmuir及其学生Blodgett建立的一种单分子膜堆积技术。它的基本原理是:将带有亲水头基和疏水长链的两亲性分子在亚相表面铺展形成单层膜,然后将这种气/液界面上的单层膜在恒定压力下转移到基片上,形成LB膜。按改变膜转移时基片表面相对于水面的不同运动方向,可以把LB膜的制备分成X、Y和Z三种方式。将基片表面垂直于水面
3、向下挂膜,使成膜分子的疏水端指向基片,称X法;将基片反向从水下提出挂膜,使成膜分子的亲水端指向基片,称Z法;将基片上下往返运动挂膜,使各层分子的亲水和疏水端依次交替指向基片,称Y法。LB 膜与其他膜相比具有以下特点: (1) 膜的厚度可以从零点几纳米至几纳米;(2) 高度各向异性的层状结构; (3) 理论上具有几乎没有缺陷的单分子层膜;LB膜法实质上是一种人工控制的特殊吸附方法,可在分子水平上实现某些组装设计,完成一定空间次序的分子组合。通过该方法可以将液面上有序排列的某些有机分子逐层转移到固定基片上,实现基片上的特定分子的高度有序排列。图1.1 LB膜的制备原理但是,LB膜自身存在着一些难以
4、克服的缺点,限制了它的实际应用。LB膜中的分子与基片表面、层内分子之间以及层与层之间多以作用较弱的范德华力相结合。因此,LB膜是一种亚稳态结构,对热、化学环境、时间以及外部压力的稳定性较差;膜的性质强烈依赖于转移过程。LB膜的缺陷多、成膜分子一般要求为双亲分子、设备的高要求以及成膜过程与操作的复杂性等严重限制了LB膜在生物传感器中的实际应用。1.1.3 分子自组装技术为了克服LB 膜的稳定性差和制备需要昂贵仪器等缺点,自组装膜应运而生。分子自组装成膜的基本原理是通过固-液界面间的化学吸附(表面化学反应)进行的:在表面活性剂的有机溶液中,浸入某种表面物质的基片,活性剂分子的反应基(头基)与基片表
5、面物质自动发生连续的化学反应,在基片表面形成由化学键连接的取向、紧密排列的二维有序的单分子膜,同层内分子间的作用力仍然为范德华力。巯基SH和Au之间有较强的相互作用,带有巯基的分子在金表面可以自发地形成有序结构,而且稳定性非常高。A u-S键极易自发形成并释放热量,硫醇、硫醚或二硫醚衍生物中的S原子与Au表面的强烈相互作用遵循软硬酸碱作用原理。形成Au-S键使得硫化合物在金表面形成的SAMs具有良好的稳定性、致密性、有序性。由于许多药物分子和生物提取物都含有SH基和SS基,利用A u-S键,可直接将连接有巯基的生物分子组装于金表面;也可先获得尾端带有功能基团的含硫化合物在金表面的SAM ,利用
6、尾端的功能基团直接或在活化剂(或偶联剂) 的作用下连接上生物功能分子, 从而实现生物功能分子与基底的稳定结合。选择不同的自组装分子,可以将传感芯片修饰成不同的表面:疏水或亲水的,带有正电或负电的,或者带有其他活性基团,在此基础上再固定其他分子。自组装技术已经广泛被用来在金属表面构建致密有序的分子层结构。 图1.2分子自组装单分子膜的制备原理1.1.4 交替沉积技术基于化学吸附的分子自组装多层膜是通过化学键连接在一起的,稳定性较好,有序度也较高,看起来是一种好的制备自组装多层膜的技术。但是,在实际操作中,快速、定量的化学吸附要求有高反应活性的分子和特殊的基底作保障,由于通常的化学反应的产率很难达
7、到100%,使得用这种自组装技术制备结构有序的多层膜并不容易。这就需要发展新的、更简单有效的超薄膜制备技术。1991年 ,在IIer等人的工作基础之上,Decher等人提出一种新的纳米复合薄膜制备技术,由于形成薄膜的驱动力是带相反电荷的组分之间的静电引力,因此这种技术被称为静电自组装薄膜技术(Electrostatic Self-assembly,ESA)。这种技术制备超薄膜的过程十分简单,以聚阳离子和聚阴离子在带正电荷的基片上的交替沉积为例,超薄膜的制备过程可描述如下(如图1-3 所示):(1)将带正电荷的基片先浸入聚阴离子溶液中,静置一段时间后取出,由于静电作用,基片上会吸附一层聚阴离子。
8、此时,基片表面所带的电荷由于聚阴离子的吸附而变为负;(2)用水冲洗基片表面,去掉过量吸附的聚阴离子,并将沉积有一层聚阴离子的基片干燥;(3)将上述基片转移至聚阳离子溶液中,基片表面便会吸附一层聚阳离子,表面电荷恢复为正;(4)水洗,干燥。这样便完成了聚阳离子和聚阴离子组装的一个循环。重复(1)至(4)的操作便可得到多层的聚阳离子/聚阴离子超薄膜。尽管这种组装技术构筑的超薄膜的有序度不如LB 膜高,但与其它超薄膜的制备技术相比较,它仍具有许多的优点:(1)超薄膜的制备方法简单,只需将离子化的基底交替浸入带相反电荷的聚电解质溶液中,静置一段时间即可,整个过程不需要复杂的仪器设备;(2)成膜物质丰富
9、,适用于静电沉积技术来制备超薄膜的物质不局限于聚电解质,带电荷的有机小分子、有机/无机微粒、生物分子,如蛋白质、DNA、病毒、酶等带有电荷的物质都有可能通过静电沉积技术来获得超薄膜;(3)静电沉积技术的成膜不受基底大小、形状和种类的限制,且由于相邻层间靠静电力维系,所获得的超薄膜具有良好的稳定性;(4)单层膜的厚度在几个埃至几个纳米范围内,是一种很好的制备纳米级超薄膜材料的方法。单层膜的厚度可以通过调节溶液参数,如溶液的离子强度、浓度、PH值,以及膜的沉积时间而在纳米尺度范围内进行调控;(5)特别适合于制备复合超薄膜。将相关的构筑基元按照一定顺序进行组装,可自由地控制复合超薄膜的结构与功能。图
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