spr生物传感芯片研发技术背景

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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1.1SPR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

2、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。1.1.2LB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

3、。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

4、。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。9SPR生物传感芯片新工艺研发的理论方案图1.1LB膜的制备原理但是，LB膜自身存在着一些难以克服的缺点，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

5、。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。9SPR生物传感芯片新工艺研发的理论方案巯基—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。Au-S键极易

6、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—S—S—基，利用Au-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

7、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

8、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(ElectrostaticSelf-assembly，ES