微阵列生物芯片的三维载体及其制备方法

摘要

本发明公开了微阵列生物芯片的三维载体及其制备方法，微阵列生物芯片三维载体由基底材料表面生长氧化锌纳米棒，再在氧化锌纳米棒表面生长聚合物刷而得，具体步骤为先将基底材料的表面进行活化，然后在基底材料表面生长氧化锌纳米棒；再将生长的氧化锌纳米棒进行表面修饰；然后在修饰后的氧化锌纳米棒表面连入引发剂；最后在生长聚合物刷，得微阵列生物芯片三维载体，其制备方法简单，不需要特殊设备，生产成本低，重复性好，能够大规模生产；制得的三维载体价格低，对探针分子的固定密度高，能有效抑制非特异性蛋白吸附，提高灵敏度和特异性，能够广泛应用于生物，基础医学、疾病诊断、药物筛选、食品安全、环境监测等领域。

权利要求

1.微阵列生物芯片的三维载体，其特征在于：所述微阵列生物芯片的三维载体是在基底材料表面生长氧化锌纳米棒，再在氧化锌纳米棒表面生长聚合物刷而得，所述聚合物刷为聚（寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯）；

包括如下步骤：

a.将基底材料的表面进行活化，然后在基底材料表面生长氧化锌纳米棒；所述活化是将基底材料用浓度为1-10mM高锰酸钾浸泡15-30分钟；所述生长氧化锌纳米棒是将活化的基底材料放入含乙醇胺、氨水和硝酸锌的混合溶液中，在65-95℃水浴中生长30-60分钟，所述混合溶液中硝酸锌的终浓度为10-100mM，乙醇胺的体积分数为1-10%，氨水的体积分数为1-10%b. 将步骤a处理后的基底材料浸没在含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1-3小时，然后用乙醇冲洗后，在110℃温度下真空退火1-3小时；所述含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的体积浓度为

1％-5％；

c. 将步骤b处理后的基底材料放入含三乙基胺和α-溴异丁酰溴的四氢呋喃溶液或二氯甲烷溶液中2小时，取出后用四氢呋喃或二氯甲烷冲洗；所述四氢呋喃溶液中三乙基胺的体积分数为0.2％-0.4％，α-溴异丁酰溴的体积分数为0.4％-0.6%；

d. 将连入引发剂的氧化锌纳米棒表面采用表面引发原子转移自由基聚合技术生长聚合物刷，得微阵列生物芯片的三维载体。

2.根据权利要求1所述微阵列生物芯片三维载体，其特征在于：所述基底材料为玻璃片、塑料片、尼龙膜或硅片。

3.权利要求1至2任一项所述微阵列生物芯片三维载体的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：a.将基底材料的表面进行活化，然后在基底材料表面生长氧化锌纳米棒；所述活化是将基底材料用浓度为1-10mM高锰酸钾浸泡15-30分钟；所述生长氧化锌纳米棒是将活化的基底材料放入含乙醇胺、氨水和硝酸锌的混合溶液中，在65-95℃水浴中生长30-60分钟，所述混合溶液中硝酸锌的终浓度为10-100mM，乙醇胺的体积分数为1-10%，氨水的体积分数为1-10%；

b. 将步骤a处理后的基底材料浸没在含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1-3小时，然后用乙醇冲洗后，在110℃温度下真空退火1-3小时；所述含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的体积浓度为

1％-5％；

c. 将步骤b处理后的基底材料放入含三乙基胺和α-溴异丁酰溴的四氢呋喃溶液或二氯甲烷溶液中2小时，取出后用四氢呋喃或二氯甲烷冲洗；所述四氢呋喃溶液中三乙基胺的体积分数为0.2％-0.4％，α-溴异丁酰溴的体积分数为0.4％-0.6%；

d. 将连入引发剂的氧化锌纳米棒表面采用表面引发原子转移自由基聚合技术生长聚合物刷，得微阵列生物芯片的三维载体。

说明书

微阵列生物芯片的三维载体及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于检测领域，涉及微阵列生物芯片的三维载体，还涉及该三维载体的制备方法。

背景技术

[0002] 微阵列生物芯片是将不同的生物探针分子如DNA、抗原、抗体、适配体等有序、高密度、可寻址地固定在一定载体上，配合以荧光读取系统，实现大规模、高通量检测生物分子和研究生物分子相互作用的一种技术，在疾病的早期筛选、诊断和治疗以及药物开发、基础生命科学研究有着重要意义，近年来得到了学术界和工业界广泛的研究兴趣。目前，微阵列生物芯片采用的载体材料主要是表面功能化的载玻片，这类载体材料存在的一个主要问题是受限于载玻片一维表面有限的表面积，其探针分子固定密度低，导致微阵列生物芯片的灵敏度不高，检测限有时达不到实际应用要求。针对这一问题，一些大型生物医疗公司开发出了数种高性能载体，如GRACE BIO-LABS公司的ONCYTE®芯片，GENTEL BIOSCIENCES公司的 PATH®芯片，WHATMAN公司的FAST®芯片，ARRAYIT公司的 SUPERPROTEIN®芯片，PERKIN-ELMER 公司的HYDROGEL®芯片，NALGE NUNC公司的MAXISORP®芯片，XanTec analytics的hydrogel载体等，这些载体材料的共同点是通过采用具有表面微结构的三维载体，以提高探针分子的固定密度，同时抑制生物分子在表面的非特异性吸附，以期得到高的检测灵敏度。但是这些商品化的芯片都存在不同的缺陷，例如需要复杂的表面活化、价格高昂、重现性差、背景信号高等，难以满足科学研究和实际应用的需要。

发明内容

[0003] 有鉴于此，本发明的目的之一在于提供一种微阵列生物芯片的三维载体，具有价格低、探针分子的固定密度高、有效抑制非特异性蛋白吸附的效果，能够满足科学研究和实际应用中对灵敏度和特异性的要求；本发明的目的之二在于提供微阵列生物芯片三维载体的制备方法，制备方法简单。

[0004] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

[0005] 1.微阵列生物芯片三维载体，所述微阵列生物芯片三维载体是在基底材料表面生长氧化锌纳米棒，再在氧化锌纳米棒表面生长聚合物刷而得。

[0006] 本发明的基底材料可以为玻璃片、塑料片、尼龙膜、硅片等，优选的，所述基底材料为载玻片。

[0007] 本发明中只要在氧化锌纳米棒表面生长有聚合物刷即可，所述聚合物刷优选为聚（寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯－甲基丙烯酸缩水甘油酯）。

[0008] 本发明中，聚合物刷可以使用自组织、旋涂等方法生长，优选的，所述聚合物刷采用表面引发原子转移自由基聚合技术生长。

[0009] 2.所述微阵列生物芯片三维载体的制备方法，包括如下步骤：

[0010] a.将基底材料的表面进行活化，然后在基底材料表面生长氧化锌纳米棒；

[0011] b.将生长的氧化锌纳米棒进行表面修饰；

[0012] c.在修饰后的氧化锌纳米棒表面连入引发剂；

[0013] d.在连入引发剂的氧化锌纳米棒表面生长聚合物刷，得微阵列生物芯片的三维载体。

[0014] 优选的，所述步骤a中，所述活化是将基底材料用浓度为1-10mM高锰酸钾浸泡15-30分钟。

[0015] 优选的，所述步骤a中，所述生长氧化锌纳米棒是将活化的基底材料放入含乙醇胺、氨水和硝酸锌的混合溶液中，在65-95℃水浴中生长30-60分钟，所述混合溶液中硝酸锌的终浓度为10-100mM，乙醇胺的体积分数为1-10%，氨水的体积分数为1-10%。

[0016] 优选的，所述步骤b是将步骤a处理后的基底材料浸没在含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中浸泡1-3小时，然后用乙醇冲洗后，在110℃温度下真空退火1-3小时；所述含3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的乙醇溶液中3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷的体积浓度为1％－5％。

[0017] 优选的，所述步骤c是将步骤b处理后的基底材料放入含三乙基胺和α-溴异丁酰溴的四氢呋喃溶液或二氯甲烷溶液中2小时，取出后用四氢呋喃或二氯甲烷冲洗；所述四氢呋喃溶液中三乙基胺的体积分数为0.2-0.4％，α-溴异丁酰溴的体积分数为
0.4-0.6%。

[0018] 更优选的，所述步骤d为将连入引发剂的氧化锌纳米棒表面采用表面引发原子转移自由基聚合技术生长聚合物刷。具体步骤为先配制含10-30％（v/v）的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯（平均分子量360）和0.4-1％（v/v）的甲基丙烯酸缩水甘油酯的甲醇/水溶液，其中甲醇/水溶液的甲醇与水的体积比为1：1，然后向溶液中鼓入氮气15-30分钟，再加入2，2'-联吡啶和溴化亚铜，至2，2'-联吡啶的终浓度为3mg/mL，溴化亚铜的终浓度为1.7mg/mL的，超声溶解后，将步骤c处理后的载玻片迅速浸入，密封溶液并置入避光的惰性气氛箱保存6-12小时即可。其中通入氮气可以替换为加入相当于溶液体积1/50的浓度为120 mg/mL的抗坏血酸水溶液。

[0019] 本发明的有益效果在于：本发明公开了微阵列生物芯片三维载体和相应的制备方法，制备中采用湿化学方法和表面引发原子转移自由基聚合技术，在基底材料表面形成氧化锌纳米棒与聚合物刷的复合结构；形成的氧化锌纳米结构具有巨大的比表面积，能有效提高固定生物探针分子的表面密度，同时氧化锌纳米棒具有放大荧光信号的独特物理性质，极大提高了荧光分析的信噪比；而聚合物刷作为修饰层，一方面在溶液中能有效抑制检测过程中生物分子在表面的非特异性吸附，保证了高选择性检测；另一方面由于在聚合物刷中含有微量环氧基团（GMA单体携带），在干燥条件下可与生物探针分子的氨基发生共价交联，从而实现高密度、高活性探针固定，因此检测灵敏度高，最低检测限达100pg/mL；可以将获得的微阵列生物芯片的三维载体应用于基础研究和实际应用中，发挥重要作用。

附图说明

[0020] 为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

[0021] 图1为微阵列生物芯片三维载体制备方法及聚合物刷分子结构示意图。

[0022] 图2为氧化锌纳米棒的扫描电子显微镜照片。

[0023] 图3为微阵列生物芯片三维载体的扫描电子显微镜照片。

[0024] 图4为氧化锌纳米棒-聚合物刷复合结构的微阵列生物芯片三维载体透射电子显微镜照片。

[0025] 图5为氧化锌纳米棒和氧化锌纳米棒-聚合物刷复合结构的红外图谱（a：为氧化锌纳米棒红外图谱图；b：氧化锌纳米棒－聚合物刷复合结构的红外图谱）。

[0026] 图6为0.8mg/mL荧光蛋白（CY3标记的抗山羊IgG）在不同载体上的微阵列芯片的荧光照片、荧光强度及微点直径（a为环氧活化载玻片；b为聚合物刷修饰载玻片；c为环氧活化氧化锌棒修饰载玻片；d为氧化锌棒-聚合物刷修饰载玻片；荧光照片中的标尺均为0.5 mm；）。

[0027] 图7为微阵列生物芯片三维载体在5微克/毫升荧光蛋白（CY3-抗山羊IgG）溶液中浸泡30分钟前后的荧光照片。

[0028] 图8为微阵列生物芯片三维载体采用微阵列芯片对肿瘤标志物CEA的10%血清样品进行检测得到的荧光照片及标准曲线。

具体实施方式

[0029] 下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

[0030] 微阵列生物芯片三维载体，其结构和制备工艺如图1所示。

[0031] 由图1可知，微阵列生物芯片三维载体由基底材料表面生长高密度、随机取向的氧化锌纳米棒，再在氧化锌纳米棒表面生长聚合物刷而得。生长聚合物刷可以通过表面引发原子转移自由基聚合（Surface-initiated Atom Transfer Radical Polymerization，SI-ATRP）技术。

[0032] 实施例1

[0033] 微阵列生物芯片三维载体的制备方法，具体步骤如下：

[0034] a.将干净载玻片浸没在5 mM新配制高锰酸钾溶液20分钟，取出用去离子水冲洗；然后将载玻片放入含5%（v/v）乙醇胺和5%（v/v）氨水的50 mM 硝酸锌溶液中，在85℃水浴下生长50分钟，使载玻片表面形成氧化锌纳米棒，取出用去离子水冲洗后干燥，然后用扫描电子观察，结果如图2所示；

[0035] b.将步骤a处理后的载玻片浸没在含3% （v/v）3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷（APTES）的乙醇溶液中浸泡2小时，使3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷与氧化锌纳米棒形成硅-氧共价键，以修饰氧化锌纳米棒表面，用乙醇冲洗后，在110℃温度下真空退火2小时；

[0036] c.将经步骤b处理后的载玻片放入含0.35％（v/v）三乙基胺（triethylamine，TEA）和0.6％（v/v）的α-溴异丁酰溴（2-bromoisobutyryl bromide，BIB）的二氯甲烷溶液中浸泡2小时，取出后用二氯甲烷冲洗三次，以在氧化锌纳米棒表面连入引发剂；

[0037] d. 将经步骤c处理的载玻片采用表面引发原子转移自由基聚合技术在该生长有氧化锌的载玻片上生长聚合物刷，具体为：先配制50毫升含10％（v/v）的寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯（oligo（ethylene glycol）methacrylate，OEGMA，平均分子量360）和0.4％（v/v）甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl methacrylate，GMA）的甲醇/水（体积比为1：1）溶液，向溶液中鼓入氮气15-30分钟，再加入150毫克2，2'-联吡啶（2，2'-Dipyridyl）和70毫克溴化亚铜，超声溶解后，将步骤c处理的载玻片迅速浸入，密封溶液并置入避光的惰性气氛箱保存12小时，得微阵列生物芯片三维载体。将所得微阵列生物芯片三维载体在扫描电子显微镜和透射电子显微镜下观察，结果如图3和图4所示，由图3和图4可知，在所得微阵列生物芯片三维载体，在载玻片表面生长有不规则的氧化锌纳米棒，并在氧化锌纳米棒表面形成了聚合物刷。

[0038] 将步骤c制备的结合氧化锌纳米棒的载玻片和步骤d所得微阵列生物芯片的三维载体进行红外图谱分析，结果如图5所示。由红外图谱可知在氧化纳米棒表面生长有聚合物刷，本实施例中聚合物刷为聚（寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯）。

[0039] 实施例2

[0040] 微阵列生物芯片三维载体的制备方法，具体步骤如下：

[0041] a.将干净载玻片浸没在1 mM新配制高锰酸钾溶液30分钟，取出用去离子水冲洗；然后将载玻片放入含1%（v/v）乙醇胺和1%（v/v）浓氨水的10 mM 硝酸锌溶液中，在65℃水浴中生长60分钟，使载玻片表面形成氧化锌纳米棒，取出用去离子水冲洗后干燥；

[0042] b.将步骤a处理后的载玻片浸没在含1%（v/v）的3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷（APTES）的乙醇溶液中浸泡3小时，使3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷与氧化锌纳米棒表面形成硅-氧共价键，以修饰氧化锌纳米棒表面，用乙醇冲洗后在110℃温度下，真空退火3小时；

[0043] c.将经步骤b处理后的载玻片放入含0.2％（v/v）三乙基胺（triethylamine，TEA）和0.4％（v/v）α-溴异丁酰溴（2-bromoisobutyryl bromide，BIB）的四氢呋喃溶液中浸泡2小时，取出后用四氢呋喃冲洗三次，以在氧化锌纳米棒表面连入引发剂；

[0044] d. 将经步骤c处理的载玻片采用表面引发原子转移自由基聚合技术在该生长有氧化锌的载玻片上生长聚合物刷，具体为：先配制50毫升含30％（v/v）寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯（oligo(ethylene glycol)methacrylate，OEGMA，平均分子量360）和1％（v/v）甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl methacrylate，GMA）的甲醇/水（体积比为1：1）溶液，再向溶液中加入230毫克2，2'-联吡啶（2，2’-bipyridyl）和170毫克溴化铜，然后将步骤c处理的载玻片浸入后，迅速加入1mL浓度为120mg/mL的抗坏血酸水溶液，其中2，2'-联吡啶和溴化铜在溶液中形成络合物Cu（II）-2Bpy，该络合物被抗坏血酸还原为亚铜络合物Cu（I）-2Bpy，然后在表面催化引发原子转移自由基聚合。密封并振荡溶液，然后置入避光的惰性气氛箱保存12小时，得微阵列生物芯片的三维载体。

[0045] 实施例3

[0046] 微阵列生物芯片的三维载体的制备方法，具体步骤如下：

[0047] a.将干净载玻片浸没在10 mM新配制高锰酸钾溶液15分钟，取出用去离子水冲洗；然后将载玻片放入含0.25%（v/v）乙醇胺和5%（v/v）浓氨水的100 mM 硝酸锌溶液中，在95℃水浴中生长60分钟，使载玻片表面形成氧化锌纳米棒，取出用去离子水冲洗后干燥，然后用扫描电子观察，结果如图2所示；

[0048] b.将步骤a处理后的载玻片浸没在含5%（v/v）3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷（APTES）的乙醇溶液中浸泡1小时，使3-环氧丙基氧丙基三甲氧基硅烷与氧化锌纳米棒表面形成硅-氧共价键，以修饰氧化锌纳米棒表面，用乙醇冲洗后在110℃温度下真空退火1小时；

[0049] c.将经步骤b处理后的载玻片放入含0.4％（v/v）三乙基胺（triethylamine，TEA）和0.4％（v/v）α-溴异丁酰溴（2-bromoisobutyryl bromide，BIB）的二氯甲烷溶液中浸泡2小时，取出后用二氯甲烷冲洗三次，以在氧化锌纳米棒表面连入引发剂；

[0050] d. 将经步骤c处理后的载玻片采用表面引发原子转移自由基聚合技术在该生长有氧化锌的载玻片上生长聚合物刷，具体为：先配制50毫升含20％（v/v）寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯（oligo（ethylene glycol）methacrylate，OEGMA，平均分子量360）和0.8％(v/v)的甲基丙烯酸缩水甘油酯（glycidyl methacrylate，GMA）的甲醇/水（体积比为1：1）溶液，向溶液中鼓入氮气15-30分钟，再加入150毫克2，2'-联吡啶（2，2’-Dipyridyl）和70毫克溴化亚铜，超声溶解后，将步骤c所得结合氧化锌纳米棒的载玻片迅速浸入，密封溶液并置入避光的惰性气氛箱保存10小时，得微阵列生物芯片的三维载体。

[0051] 实施例4

[0052] 生物芯片制备及检测步骤：

[0053] 将探针分子CY3标记的抗山羊IgG（anti-Goat IgG）溶于0.01M PBS溶液，制成浓度为800μg/mL的溶液，采用微阵列芯片点样仪（接触式点样或非接触式点样模式均可）在实施例1制备的三维载体表面印刷微阵列，点样后将三维载体在室温20-25℃下静置8-12小时，再用0.01M PBS溶液清洗、干燥后进行荧光扫描，扫描结果如图6d所示。然后采用同样溶液在其他载体表面印刷的微阵列，然后进行荧光扫描，其中图6a是在环氧活化载玻片表面印刷微阵列；图6b是在聚（寡聚乙二醇甲基丙烯酸酯-甲基丙烯酸缩水甘油酯）聚合物刷修饰载玻片表面印刷微阵列；图6c是在环氧活化氧化锌棒修饰载玻片表面印刷的微阵列。将本发明获得的三维载体制备的微阵列与其他载体制备的微阵列相比，本发明制备的三维载体上获得的荧光强度明显增强，且各微点强度均匀、形状规范。因此，使用本发明的三维载体能够使蛋白质探针分子密度固定于三维载体表面，有利于微阵列芯片的检测。

[0054] 将实施例1制备的微阵列生物芯片的三维载体在浓度为5μg/mLCY3标记的抗山羊IgG溶液中浸没30分钟，取出后用0.01M PBS溶液清洗、干燥后进行荧光扫描，得图7b所示荧光照片。相比浸泡前的荧光照片（图7a），该三维载体的荧光强度无明显上升，证明了本发明制备的三维载体在溶液条件下能有效抵抗非特异性蛋白吸附，为高选择性免疫检测提供了保证。

[0055] 将探针分子抗癌胚抗原单克隆抗体（monoclonal anti-CEA）溶于0.01M PBS溶液，制成浓度为800μg/mL的溶液，采用微阵列芯片点样仪在实施例1制备的微阵列生物芯片的三维载体表面印刷微阵列，点样后将三维载体在室温下静置8-12小时，再用0.01M PBS溶液清洗、干燥。然后采用夹心法对肿瘤标志物癌胚抗原（carcino-embryonic antigen，CEA）进行检测，即先将芯片分别与含不同浓度CEA的10％人血清溶液浸泡反应1小时，再与抗癌胚抗原的多克隆抗体（polyclonal anti-CEA， produced in Mouse）反应30分钟，最后与CY3标记抗鼠 IgG反应15分钟，清洗后干燥，然后采用荧光扫描仪对芯片信号进行读取，得图8a所示荧光照片。将荧光信号的强度用于绘制标准曲线，如图8b所示。由标准曲线得到基于该三维载体的微阵列芯片在人血清中对CEA的检测限能达到100pg/mL，因此检测灵敏度高，具有优异的性能。

[0056] 最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。