一种多物理场耦合磁增敏型薄膜生物传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于生物传感器技术领域，涉及一种多物理场耦合磁增敏型薄膜生物传感器及其制备方法。

背景技术

随着生物微机电技术的发展，微结构在生化传感领域得到了广泛关注与应用。表面应力生物传感器是生物传感器的一种，其可应用于临床医学诊断、生化探测、新药物发现等领域。表面应力生物传感器的检测原理是对传感器进行特定探针修饰可实现待测生物分子的定性分析；待测分子与其对应的探针相结合后传感器敏感部件会产生微小形变，不同浓度的待测分子与探针相结合所产生的应力大小不同，通过检测不同形变的电学信号即可实现对待测分子浓度进行定量分析。

微机械生物传感器因其灵敏度高，重复性好，抗干扰能力强，被广泛应用于医学诊断，因此成为了生物传感领域的研究热点。微机械生物传感器是一种定性检测生物分子的分析设备，生物传感系统由敏感层和转换层组成。来源于氢键、范德华力、静电力或分子间的化学吸附的表面应力使生物传感器的敏感元件发生变形，从而将生物信号转换为物理信号，实现对生物分子的分析。薄膜生物传感器因其高灵敏度、可重复性和抗干扰能力强而成为主要研究目标。

目前薄膜生物传感器采用PDMS/AgNWs复合薄膜，但表面应力导致了有限的形变，限制了传感器的灵敏度。而磁性纳米颗粒具有干扰小、体积小、成本低、对磁信号敏感等优点，因此成为生物传感领域增强生物传感性能的研究热点，然而不易实现传统生物传感器的多物理场耦合磁増敏。

发明内容

本发明克服了现有技术的不足，提出一种多物理场耦合磁增敏型薄膜生物传感器及其制备方法。解决目前生物传感器灵敏度低的问题。

为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的。

一种多物理场耦合磁增敏型的薄膜生物传感器，包括柔性基底，所述柔性基底设有镂空区，柔性基底的一面承载PDMS薄膜，另一面设置有电极层；位于镂空区的PDMS薄膜一面设置有导电层，另一面设置有纳米金层，所述纳米金层上修饰有抗体；所述抗体上结合有待测蛋白，所述待测蛋白特异性结合有经过所述抗体修饰的磁性纳米颗粒；所述生物传感器置于磁场中。

优选的，所述PDMS薄膜为栅格形或网格形或波纹形。

优选的，所述电极层和导电层位于PDMS薄膜的同侧。

优选的，所述导电层为银纳米线层。

更优的，所述电极层为银电极。

一种多物理场耦合磁增敏型的薄膜生物传感器的制备方法，包括以下步骤：

1）制备PDMS薄膜，将PDMS薄膜转移至柔性基底的一面上，在PDMS薄膜上表面制备纳米金层。

2）在位于镂空区的PDMS薄膜下表面制备导电层。

3）在柔性基底的另一面制备电极层。

4）对PDMS薄膜改性并将抗体分子修饰到纳米金层上。

5）将待测蛋白与抗体分子结合。

6）将经过所述抗体分子修饰的磁性纳米颗粒通过与所述待测蛋白结合固定在纳米金层上。

7）将步骤6）制备得到的生物传感器置于磁场中。

优选的，所述PDMS薄膜是通过3D打印制备得到的栅格形或网格形或波纹形的薄膜。

优选的，将转移到柔性基底上的PDMS薄膜浸泡在氯金酸、葡萄糖、碳酸氢钾混合溶液中12-24h，获得纳米金层。

优选的，使用喷墨打印将型号为BASE-CP12墨水打印在柔性基底上，共进行4-5次；将打印好的柔性基底置于145-155℃加热30-40分钟，制备得到电极层。

优选的，将氨基化的磁性纳米颗粒用抗体分子修饰，将其作为探针在均匀磁场中检测所述待测蛋白。

本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：

多物理场耦合单元的抗体和蛋白质特异性结合产生的表面应力使生物传感器发生机械形变，导致生物传感器的转换层上的银纳米线距离改变，进而生物传感器的电阻发生变化，从而实现了将生物信号转化为力信号和电信号的功能。之后，磁性探针上的抗体与传感器已经识别到的蛋白质分子进行第二次特异性结合，从而实现了磁性纳米颗粒与传统生物传感器之间的多物理场耦合。将该生物传感器置入均匀磁场后，磁性纳米颗粒在磁场力的作用下沿着磁场方向发生位移，进一步放大了薄膜形变。

本发明通过引入有抗体修饰的磁性纳米颗粒，与蛋白质进行第二次特异性结合增大了栅格型PDMS薄膜形变；将生物传感器置于磁场中，薄膜形变更加剧烈，从而实现了生物传感器中的多物理场耦合磁増敏；均匀磁场的加入使得生物传感器的灵敏度得以提高。

附图说明

图1为本发明的基于3D打印技术的生物传感器制备示意图；

图2为本发明的生物传感器剖面图；

图3为本发明的生物传感器纳米金层修饰抗体分子示意图；

图4为本发明的生物传感器固定磁探针示意图；

图中：1为银电极，2为柔性基底，3为栅格型PDMS薄膜，4为纳米金层，5为银纳米线转换层，6为抗体分子，7为人血清白蛋白，8为抗体修饰的磁性纳米颗粒。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。

参照图1-4，一种多物理场耦合磁增敏型的薄膜生物传感器的制备方法，具体为以下步骤：

（1）以Sylgard 184，Dow Corning作为原料，将预聚物和固化剂以10:1重量比混合并搅拌均匀，使用脱泡机去除混合物气泡；采用挤压式针筒3D打印机，分辩率为1μm，喷头移动速度在6-9×10

（2）在此基础上，选用相同的参数将PDMS线均匀打印在PDMS薄膜上。打印完后，将PDMS薄膜在120-150℃的烘干台上立即烘干10-15分钟，形成栅格型PDMS薄膜3。

（3）将栅格型PDMS薄膜3转移到PET或其他柔性基底上，本实施例柔性基底2为圆环状结构，如图2-4所示，为上下两层，中间为镂空区；当然，柔性基底2也可仅有下面的一层。之后将栅格型PDMS薄膜3浸泡在氯金酸、葡萄糖、碳酸氢钾混合溶液中12到24小时，以在栅格型PDMS薄膜3上表面获得纳米金层4。

（4）将银纳米线乙醇分散液滴在栅格型PDMS薄膜3的下表面。乙醇挥发后银纳米线形成导电层即银纳米线转换层5。使用喷墨打印技术将型号为BASE-CP12的墨水打印在柔性基底2的底面上，共进行5次。将打印好的基底置于140-160℃加热30-40分钟，制备银电极1。

（5）将步骤4制备得到的传感器浸泡在4 mmol/L 的CYS溶液中，以生成胺化自组装单分子膜，8-9小时后去掉CYS溶液，并用去离子水清洗传感器。

（6）将50mmol/L的EDC和NHS溶液以1:1的体积比混合，并滴加抗体溶液，将生物传感器置于有EDC/NHS存在的抗体混合溶液中保持2-3小时，使抗体分子6修饰到纳米金层4上。

（7）再将该生物传感器置于BSA缓冲液中并保持1小时以抑制非特异性吸附。

（8）使用该生物传感器检测0-50μg/mL的人血清白蛋白7，使人血清白蛋白7与传感器上的抗体分子6结合。

（9）将氨基化的磁性三氧化二铁溶液与抗体溶液以5:1的体积比混合，并滴加EDC/NHS混合溶液，制备得到抗体修饰的磁性纳米颗粒8。混合溶液在2-8℃下储存1-2小时后滴加到检测人血清白蛋白的生物传感器上，使与人血清白蛋白7结合，实现多物理场耦合磁增敏。

（10）将生物传感器置于均匀磁场中。

（11）封装，测试。

磁性纳米颗粒采用如三氧化二铁、四氧化三铁等磁性材料。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。