[发明专利]一种具有高分子三维纳米结构的生物芯片

说明书

技术领域

本发明涉及一种用于生物芯片的固相载体，以及包括该固相载体的生物芯片、特别是微流控芯片。

背景技术

生物芯片，包括微流控芯片、DNA/蛋白质阵列、细胞与组织阵列以及其他集成生物相关功能的芯片。生物芯片作为一种缩微化生物技术，由于其具有高通量、样品用量低、分析时间短、易于集成等多种优点，在疾病检测、基因测序、基因诊断、生物合成、蛋白质结构研究、生物分子结合常数测定、药物筛选、个体化医疗、细胞培养、生物信息学研究等生物、医疗领域正在发挥着越来越大的作用。

在生物芯片中，往往要求蛋白质、多肽、DNA、代谢产物等生物分子，或者细胞、组织等吸附在固相载体上。迄今为止，在生物芯片中使用的三维固相载体包括电纺丝高分子膜(electrospun polymer fiber membranes)、轨迹刻蚀高分子膜(track etched polymer membranes)、聚二甲基硅氧烷微井阵列(poly(dimethylsiloxane)microwells)、硝化纤维膜(nitrocellulose membranes)、聚苯乙烯微球(polystyrene microbeads)等。然而这些载体普遍存在着位置可控性不好，可选材料有限，在水溶液中冲洗时稳定性差，噪音背景信号太强等很多缺点。

本发明的目的是提供一种克服了上述缺陷的新型的固相载体，其具有由高能粒子不均匀刻蚀所形成的高分子三维纳米结构。具有这种固相载体的生物芯片可以基于广泛的高分子材料，也就是对基材的要求降低，并且微观结构更可控制以及重复性好，更重要的是对生物分子的吸附性显著增强，使得生物芯片的灵敏度更高。

发明内容

本发明首先涉及一种固相载体，其可以用于生物芯片中，这种固相载体采用一种新型的高分子三维纳米结构，而这种高分子纳米结构由高能粒子不均匀刻蚀产生，其中高能粒子可以为电感耦合等离子体、脉冲激光灼烧产生的气化高能粒子等等。这里的生物芯片特别例如为微流控芯片。

本文中使用的“高能粒子不均匀刻蚀”，是指高能粒子被导向如轰击到高分子表面上，由于高分子基片或材料的初始表面的不均匀性，刻蚀快的部位一直刻蚀较快，刻蚀慢的部位一直刻蚀较慢，最后就形成了具有高低落差的纳米结构。高能粒子的产生方式可以是电感耦合等离子体或者脉冲激光烧蚀等方式。但是，本领域技术人员应当理解，在这里使用的高能粒子应当具有比较好的方向性。

出人意料的是，这种高能粒子不均匀蚀刻的方法几乎不受到高分子材料本身种类的限制，也就是说，可以采用绝大多数高分子基片作为原料，从而得到各种材料的三维纳米结构，如纳米线阵列、纳米网状结构、纳米沟槽结构等，并且它们对DNA、多肽、蛋白质等生物分子吸附性都特别优异。尤其重要的是，这种方法同样适用于目前难以制备成三维纳米结构的一些高分子材料，特别是那些具有特定官能团如氨基的高分子材料。这样一来，在这些具有特定官能团的高分子材料比如含有氨基的高分子在形成三维纳米结构后，其表面还可以以化学方式进行修饰，如用戊二醛进行修饰，以增强生物分子如蛋白质的吸附。值得注意的是，这种方法本身的重复性好，可控性强，因此，所获得的三维纳米结构也具有很好的重复性并且更加可控。

在本文中使用的“三维纳米结构”，具有本领域技术人员通常所理解的含义，泛指在三维空间里具有纳米尺度形貌特征的结构。这种“三维纳米结构”包括但不限于：纳米线阵列、交联的纳米线形成的纳米网状结构、纳米沟槽结构、分子筛结构等。在本发明中，三维纳米结构优选为纳米线阵列、交联的纳米线形成的纳米网状结构和纳米沟槽结构。

尽管“生物芯片”的定义在相关领域中并不精确，但是本发明中使用时，正如本文开始所述的，是指一切集成生物相关功能的芯片，目的在于获取如生物分子本身的信息，除了检测生物分子外，还有着多种多样的功能，如药物筛选、生物计算机、蛋白质分离、基因诊断、基因测序、生物合成、酶催化反应、结合常数测定、细胞培养、生物信息学研究等等。本文中的生物芯片与生物传感器的含义并不相同，并不要求与硅技术相结合。生物传感器通常被认为是指对生物物质敏感并可将不可直接测量的或感兴趣的信号转化为可检测电信号的装置，例如通常可以对生物物质浓度的变化做出响应。如葡萄糖传感器，其可以通过一系列特异酶促反应，将葡萄糖浓度转化为电信号，从而监测葡萄糖的浓度。而生物芯片则并不一定要有电信号产生。