AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種AuNPs（納米金）-PDMS（聚二甲基硅氧烷）復(fù)合微薄膜表面應(yīng)力生物傳感器的制備方法。具體以PDMS薄膜為基底，使用氯金酸溶液為第一步還原劑進(jìn)行還原以生成金種。利用膜上已經(jīng)生成的金種，以葡萄糖和碳酸氫鉀作為輔助還原劑，使用氯金酸對復(fù)合膜進(jìn)行第二步還原。利用AuNPs-PDMS復(fù)合薄膜作為傳感器的敏感元件，PDMS為襯底，采用濺射工藝制備傳感器的金電極，完成傳感器的制備。本發(fā)明所述方法生成的AuNPs-PDMS復(fù)合薄膜電導(dǎo)性有明顯改善，從而使傳感器靈敏度得到提高。而且制作方法簡單，為實現(xiàn)微型化、低成本、批量化生產(chǎn)提供了可能。
【專利說明】AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及生物傳感器領(lǐng)域，具體是一種AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜表面應(yīng)力生物傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]表面應(yīng)力生物傳感器作為一類新型的傳感器將分子間化學(xué)鍵的結(jié)合能轉(zhuǎn)化為可測量的光、電或機(jī)械信號，進(jìn)而實現(xiàn)傳感檢測。該方法可以從分子量級對分析物進(jìn)行探測分析，具有更高的探測分析精度，這為實現(xiàn)高精度的疾病檢測、食品農(nóng)藥或重金屬污染檢測、生化污染檢測等提供一個良好的技術(shù)支持。
[0003]傳感器的敏感元件在整個傳感器系統(tǒng)中起著重要作用。目前，微懸臂梁和微薄膜是基于表面應(yīng)力生物傳感器的兩種敏感元件。其中，微懸臂梁式表面應(yīng)力生物傳感器在此前有大量的研究，但是此結(jié)構(gòu)有著一定的局限性，如非特異性吸附。相比較而言，微薄膜不論是在信號傳輸還是分析物吸附方面都有著其優(yōu)勢。但是，現(xiàn)有的薄膜電容式傳感器的結(jié)構(gòu)加工復(fù)雜，且輸出差分電容僅有幾伏，極大地增加了檢測電路的復(fù)雜度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決目前表面應(yīng)力生物傳感器存在的主要問題，如懸臂梁結(jié)構(gòu)的非特性吸附、薄膜電容式傳感器結(jié)構(gòu)的加工復(fù)雜度等問題，提供了一種AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜表面應(yīng)力生物傳感器的制備方法。
[0005]本發(fā)明是采用如下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
一種AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，包括如下步驟:
(1)、清洗玻璃片，并用TMCS對玻璃片進(jìn)行硅烷化處理，備用；
(2)、制備PDMS溶液；
(3)、在備好玻璃片的上表面旋涂PDMS溶液，固化后形成PDMS薄膜；
(4)、將步驟(3)所得玻璃片浸泡在HAuCl4溶液中20?24小時，進(jìn)行第一次還原；
(5)、用HAuCl4溶液、葡萄糖溶液和碳酸氫鉀溶液配置還原液，將步驟(4)所得玻璃片浸泡在還原液中20?24小時,進(jìn)行第二次還原；
(6)、制備PDMS溶液，然后PDMS溶液利用模具制備出傳感器基底，所述傳感器基底的上表面中部形成有凹腔；
(7)在傳感器基底上表面的凹腔周圍涂PDMS溶液，將步驟(5)所得玻璃片上的PDMS薄膜從玻璃片上揭下來，貼在傳感器基底的上表面、且完全遮蓋凹腔；
(8)在傳感器基底的上表面濺射金屬薄膜；
(9)在金屬薄膜上旋涂光刻膠，曝光和顯影光刻膠后，濕法腐蝕金屬薄膜，去光刻膠后，形成兩個獨立的電極結(jié)構(gòu)，所述每個電極結(jié)構(gòu)至少部分位于傳感器基底上表面的PDMS薄膜邊緣上。
[0006]PDMS (聚二甲基硅氧烷)作為一種新型薄膜材料，具有良好的生物適應(yīng)性。與其他常用薄膜材料(硅、氧化硅、氮化鋁、PMMA、SU8等)相比，具有相對較小的楊氏模量(12kPa-2.5Mpa)。AuNPs是一類重要的納米材料，而且制備簡單，具有高穩(wěn)定性、小尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、量子效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)及生物相容性，易于進(jìn)行表面化學(xué)修飾。
[0007]上述方法中選擇采用兩次還原法，首先在步驟(4)中用HAuCl4溶液進(jìn)行第一次還原，一些納米金粒子還原在PDMS薄膜上作為種子。接著用HAuCl4溶液、葡萄糖溶液、碳酸氫鉀溶液按照體積比為2:1:1的比例配制還原液，再次對含有金粒子的PDMS薄膜進(jìn)行第二次還原，金納米粒子進(jìn)一步沉積在金種子周圍，從而制備出了導(dǎo)電性良好、厚度均勻的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜，克服了其他方法(如一步還原法、物理法等)存在的諸如復(fù)合膜上金納米粒子過少、薄膜導(dǎo)電性不良等缺點?；赑DMS與金納米粒子結(jié)合形成的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜具備兩種材料的雙重優(yōu)點，兼具聚二甲基硅氧烷和納米金的良好導(dǎo)電性、生物親和性及超疏水性等優(yōu)點，廣泛用于生物傳感、生物功能材料、環(huán)境保護(hù)、微流控等領(lǐng)域。
[0008]AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜在表面應(yīng)力作用下發(fā)生偏轉(zhuǎn),會造成納米金粒子平均粒間距增大，從而導(dǎo)致薄膜體系的電導(dǎo)發(fā)生變化，實驗證明該類結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)的金屬或者半導(dǎo)體壓阻傳感材料相比，其靈敏度高出了大約兩個數(shù)量級。
[0009]因此，使用時，通過對AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜進(jìn)行修飾，表面應(yīng)力導(dǎo)致AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜發(fā)生應(yīng)變，基座上的凹腔為AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜提供了應(yīng)變的空間，進(jìn)而通過傳感器上兩個獨立的電極結(jié)構(gòu)，監(jiān)測AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜的電導(dǎo)率變化，進(jìn)行生物傳感檢測，具有靈敏度高、重復(fù)性好、生物相容性好以及高集成度等優(yōu)點。
[0010]本發(fā)明設(shè)計合理，加工制備出靈敏度高的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜電導(dǎo)式表面應(yīng)力生物傳感器，該傳感器可以解決目前表面應(yīng)力生物傳感器存在的主要問題，如懸臂梁結(jié)構(gòu)的非特性吸附，薄膜電容式結(jié)構(gòu)的加工復(fù)雜度等。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是步驟(3)后的示意圖。
[0012]圖2是步驟(4)后的示意圖。
[0013]圖3是步驟(5)后的示意圖。
[0014]圖4是步驟(6)制備的傳感器基底的示意圖。
[0015]圖5是步驟(7)后的示意圖。
[0016]圖6是步驟(8)后的示意圖。
[0017]圖7是步驟(9)后的示意圖。
[0018]圖8是圖7的俯視圖。
[0019]圖中，1-PDMS薄膜，2-玻璃片，3_Au粒子，4_ 二次還原的Au粒子，5_傳感器基底，6-凹腔，7-AuNPs-PDMS復(fù)合膜，8-金膜，9-鉻膜，10-底電極，11-引線電極。
【具體實施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0021]一種AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜表面應(yīng)力生物傳感器的制備方法，包括如下步驟:
(I)、清洗玻璃片2，并用TMCS對玻璃片進(jìn)行硅烷化處理；具體方法如下:
準(zhǔn)備玻璃片大小1.3cmX 1.3cm。按照體積比例(濃硫酸:過氧化氫=4:1)配備清洗液，將玻璃片放入。使用清洗機(jī)在常溫下清洗15min，清洗結(jié)束后使用去離子水沖洗玻璃片，并用氮氣吹干。準(zhǔn)備硅烷化試劑TMCS，把玻璃片放入培養(yǎng)皿，滴入一定量的硅烷化試劑，蓋上培養(yǎng)皿蓋子，20分鐘后，去離子水沖洗后，用氮氣吹干。至此玻璃片硅烷化完成，其表面帶有了甲基，疏水性增強(qiáng)。
[0022](2)、以Sylgardl84為原材料制備5g聚二甲基硅氧烷溶液；具體方法如下:
以Sylgardl84 (Sygardl84包含一瓶基液和一瓶固化劑)為原材料，按照體積比(基液:固化劑=9:1)的比例配置5g的聚二甲基硅氧烷溶液，用攪拌器混合均勻至氣泡均勻分布在溶液中，接著用真空干燥箱抽真空，重復(fù)五到六次直至溶液中無氣泡存在。
[0023](3)、在備好玻璃片的上表面旋涂10 μ m厚的聚二甲基硅氧烷薄膜1，如圖1所示；具體方法如下:
使用旋涂儀進(jìn)行旋涂，過程分為三個階段:第一階段轉(zhuǎn)速從O~1500rpm，加速時間為6s，進(jìn)入第2階段；第2階段轉(zhuǎn)速維持在1500rpm，維持60s ?’第3階段轉(zhuǎn)速從1500~Orpm，降速時間為6s后停止。取出玻璃片放在溫度為70°C的烘臺上進(jìn)行聚二甲基硅氧烷微薄膜的固化，時間為2小時，得到質(zhì)地均勻、厚度為10 μ m的聚二甲基硅氧烷微薄膜。
[0024](4)、在0.01g/ml的HAuCl4溶液中對PDMS薄膜進(jìn)行第一次還原，其中，PDMS薄膜中的固化劑成分作為還原劑，將金粒子還原在PDMS薄膜上，如圖2所示；具體方法如下:
備好0.01g/ml的HAuCl4溶液，將PDMS薄膜放入稱量瓶中，加入氯金酸溶液1ml，浸泡20-24小時。
[0025](5)用HAuCl4、葡萄糖、碳酸氫鉀配好的還原液對薄膜進(jìn)行第二次還原，如圖3所示；具體方法如下:
取 0.01g/ml 的 HAuCl4 溶液 2500 μ 1、0.2g/ml 的碳酸氫鉀溶液 1250 μ I 和 0.02g/ml的葡萄糖溶液1250μ I配制還原液，把步驟(4)所得玻璃片浸泡在配好的還原液中，浸泡20-24小時。其中，葡萄糖溶液提供一種還原劑，碳酸氫鉀提供一種堿性環(huán)境，對含有金粒子的PDMS膜進(jìn)行第二次還原，納米金粒子進(jìn)一步沉積在金種子周圍，從而制備出了導(dǎo)電性良好、厚度均勻的AuNPs-PDMS復(fù)合膜7。
[0026](6)、以PDMS為材料，在傳感器模具中制出傳感器基底，如圖4所示；具體方法如下:
以Sylgardl84 (Sygardl84包含一瓶基液和一瓶固化劑)為原材料，按照體積比(基液:固化劑=9:1)的比例配置20g的聚二甲基硅氧烷溶液，用攪拌器混合均勻至氣泡均勻分布在溶液中，接著用真空干燥箱抽真空，重復(fù)五到六次直至溶液中無氣泡存在。把PDMS溶液倒入傳感器模具中，接著將模具放入真空干燥箱中，在150攝氏度下加熱I小時，固化PDMS。把傳感器基底從模具中取出來。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)實際要求制備出不同形狀的模具，容易實現(xiàn)，再次不再贅述。
[0027]所述傳感器基底5的上表面中部形成有凹腔6 ;本實施例中傳感器基底5呈圓柱狀，凹腔6也呈圓柱狀。
[0028](7)、在傳感器基底5上表面的凹腔6周圍涂微量PDMS溶液，把制好的AuNPs-PDMS復(fù)合膜7從玻璃片2上揭下來，貼在傳感器基底5的上表面、且完全遮蓋凹腔6，如圖5所示。[0029](8)、在步驟(7)做好的結(jié)構(gòu)上濺射金膜8和鉻膜9，如圖6所示；具體方法如下: 首先，AuNPs-PDMS復(fù)合膜和傳感器基底上濺射鉻膜9，技術(shù)參數(shù)為:本底真空:1.0X10-3Pa、氬氣流量:60sccm、濺射壓力:0.15Pa、濺射功率:300W、射頻匹配(C2/C1):550/120、濺射時間:19s、自偏壓:130V。
[0030]然后，在鉻膜9上濺射50nm厚的金膜8，技術(shù)參數(shù)為:本底真空:1.0 X 10_3Pa、氬氣流量:60sCCm、濺射壓力:0.2Pa、濺射功率:300W、射頻匹配(C2/C1):600/110、濺射時間:20s、自偏壓:130V。
[0031](9)、在金屬膜上旋涂光刻膠，曝光和顯影光刻膠后，濕法腐蝕金屬膜，去光刻膠后在結(jié)構(gòu)上形成呈對稱分布的兩個獨立電極結(jié)構(gòu)，所述電極結(jié)構(gòu)包括底電極10和與其連接的引線電極11，所述底電極10位于傳感器基底5上表面的PDMS薄膜邊緣上，所述引線電極11位于傳感器基底5上表面，如圖7、8所示。所述圓形底電極的直徑為500 μ m ;具體方法如下:
首先，在金膜上旋涂型號為EPI680、厚度為2.5 μ m的正性光刻膠。旋涂過程分為4個階段。第I階段轉(zhuǎn)速從O?lOOrpm，加速時間為7s，維持IOs后進(jìn)入第2階段；第2階段轉(zhuǎn)速從100?200rpm，加速時間為7s，不停留直接進(jìn)入第3階段；第3階段轉(zhuǎn)速從200?3200rpm，加速時間為8s，維持32s。第4階段轉(zhuǎn)速從3200?Orpm，減速時間15s，轉(zhuǎn)速減至
零后涂I父結(jié)束。
[0032]完成后在100°C的烘臺上烘干，時間為120s。本實施例中曝光使用的掩膜版均為明版。曝光完成后將玻璃片放入型號為TMAH的顯影液里顯影55s，去離子水沖洗后用氮氣吹干。
[0033]將玻璃片浸入金腐蝕液中約5?6s，去離子水沖洗后用氮氣吹干，其中，金腐蝕液按照碘:碘化鉀:去離子水=65g:113g:200ml的比例配備。
[0034]將玻璃片再浸入鉻腐蝕液約10?12s，去離子水沖洗后用氮氣吹干，其中，鉻腐蝕液按照硝酸鈰銨:乙酸:去離子水=22g:8 ml:70 ml的比例配備。
[0035]之后，在丙酮溶液中浸泡將光刻膠洗去，在酒精溶液中浸泡將丙酮洗去，去離子水沖洗后用氮氣吹干，兩個獨立電極結(jié)構(gòu)完成。
[0036]至此，AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜表面應(yīng)力生物傳感器制備完成。
【權(quán)利要求】
1.一種AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:包括如下步驟: (1)、清洗玻璃片(2)，并用TMCS(三甲基氯硅烷)對玻璃片進(jìn)行硅烷化處理，備用； (2)、制備PDMS溶液； (3)、在備好玻璃片(2)的上表面旋涂PDMS溶液，固化后形成PDMS薄膜(I)； (4)、將步驟(3)所得玻璃片浸泡在HAuCl4溶液中20~24小時，進(jìn)行第一次還原； (5)、用HAuCl4溶液、葡萄糖溶液和碳酸氫鉀溶液配置還原液，將步驟(4)所得玻璃片浸泡在還原液中20~24小時,進(jìn)行第二次還原； (6 )、制備PDMS溶液，然后PDMS溶液利用模具制備出傳感器基底(5 )，所述傳感器基底(5)的上表面中部形成有凹腔(6)； (7)在傳感器基底(5)上表面的凹腔(6)周圍涂PDMS溶液，將步驟(5)所得玻璃片上的PDMS薄膜從玻璃片上揭下來，貼在傳感器基底(5)的上表面、且完全遮蓋凹腔(6)； (8)在傳感器基底(5)的上表面濺射金屬薄膜； (9)在金屬薄膜上旋涂光刻膠，曝光和顯影光刻膠后，濕法腐蝕金屬薄膜，去光刻膠后，形成兩個獨立的電極結(jié)構(gòu)，所述每個電極結(jié)構(gòu)至少部分位于傳感器基底上表面的PDMS薄膜邊緣上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(9)中制備的兩個獨立電極結(jié)構(gòu)呈對稱分布，所述電極結(jié)構(gòu)包括底電極(10)和與其連接的引線電極(11)，所述底電極(10)位于傳感器基底(5)上表面的PDMS薄膜邊緣上，所述引線電極(11)位于傳感器基底(5 )上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(8)中，在傳感器基底(5)的上表面依次濺射鉻膜(9)和金膜(8)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(8)中，首先，在傳感器基底(5)上表面濺射鉻膜(9)，技術(shù)參數(shù)為:本底真空:1.0X10-3Pa、氬氣流量:60sccm、濺射壓力:0.15Pa、濺射功率:300W、射頻匹配(C2/C1):550/120、濺射時間:19s、自偏壓:130V ； 然后，在鉻膜(9)上濺射50nm厚的金膜(8)，技術(shù)參數(shù)為:本底真空:1.0 X 10_3Pa、氬氣流量:60sCCm、濺射壓力:0.2Pa、濺射功率:300W、射頻匹配(C2/C1):600/110、濺射時間:20s、自偏壓:130V。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(9)的具體方法如下: 首先，在金膜(8)上旋涂型號為EPI680、厚度為2.5μπι的正性光刻膠，旋涂過程分為4個階段:第I階段轉(zhuǎn)速從O~IOOrpm，加速時間為7s，維持IOs后進(jìn)入第2階段；第2階段轉(zhuǎn)速從100~200rpm，加速時間為7s，不停留直接進(jìn)入第3階段；第3階段轉(zhuǎn)速從200~3200rpm，加速時間為8s，維持32s ;第4階段轉(zhuǎn)速從3200~Orpm，減速時間15s，轉(zhuǎn)速減至零后涂I父結(jié)束；完成后在100 C的供臺上供干，時間為120s ； 然后進(jìn)行曝光，曝光完成后，放入型號為TMAH的顯影液里顯影55s，去離子水沖洗后用氮氣吹干； 之后，浸入金腐蝕液中5~6s，去離子水沖洗后用氮氣吹干，其中，金腐蝕液按照碘:碘化鉀:去離子水=65g:113g:200ml的比例配備；之后，浸入鉻腐蝕液10~12S，去離子水沖洗后用氮氣吹干，其中，鉻腐蝕液按照硝酸鋪銨:乙酸:去離子水=22g:8ml:70ml的比例配備； 最后，在丙酮溶液中浸泡將光刻膠洗去，在酒精溶液中浸泡將丙酮洗去，去離子水沖洗后用氮氣吹干，電極結(jié)構(gòu)完成。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(2)和步驟(6)中PDMS溶液的制備方法如下:以Sylgardl84為原材料,Sygardl84包含基液和固化劑，按照體積比為基液:固化劑=9:1的比例配置聚二甲基硅氧烷溶液，用攪拌器混合均勻至氣泡均勻分布在溶液中，接著重復(fù)用真空干燥箱抽真空，直至溶液中無氣泡存在。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(3)中PDMS薄膜的厚度為10 μ m ;具體方法如下:使用旋涂儀進(jìn)行旋涂，過程分為三個階段--第I階段轉(zhuǎn)速從O~1500rpm，加速時間為6s，進(jìn)入第2階段；第2階段轉(zhuǎn)速維持在1500rpm,維持60s ;第3階段轉(zhuǎn)速從1500~Orpm,降速時間為6s后停止；之后，取出玻璃片放在溫度為70°C的烘臺上進(jìn)行PDMS薄膜的固化，時間為2小時，得到厚度為10 μ m的TOMS薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的AuNPs-PDMS復(fù)合微薄膜生物傳感器的制備方法，其特征在于:步驟(5 )中，所述HAuCl 4溶液、葡萄糖溶液和碳酸氫鉀溶液的體積比為2:1:1、濃度比為1:20:2。
【文檔編號】G01N27/04GK103913486SQ201410144773
【公開日】2014年7月9日 申請日期:2014年4月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月12日
【發(fā)明者】桑勝波, 張文棟, 張丹, 菅傲群, 段倩倩, 馬文哲, 李朋偉, 胡杰, 李剛 申請人:太原理工大學(xué)