[发明专利]一种微结构光纤生物芯片及其制作方法

说明书

本发明涉及一种在空芯微结构光纤纤芯环壁内表面上利用纳米磁珠分段固定生物分子探针的一维生物芯片及其制作方法，可以用来检测蛋白质、核酸等生物分子。本发明所述的微结构光纤生物芯片由空芯微结构光纤、纳米磁珠和探针构成。所述的空芯微结构光纤包含一个中心空气孔和至少一圈外围空气孔构成，中心空气孔的环壁厚度在纳米量级，所述纳米磁珠直径在100nm以下，所述生物分子探针可以包括DNA、RNA、抗原或抗体等。其制作步骤包括：1)纳米磁珠和光纤预处理；2)纳米磁珠偶联分子探针；3)利用磁场和流体在微结构光纤纤芯环壁上依次分段固定纳米磁珠；4)修饰、清洗和固化；5)保存。主要优势是可以用受激辐射荧光进行检测，大幅度提高检测灵敏度。

所属技术领域

本发明涉及生物芯片领域，特别是微结构光纤生物芯片。

技术背景

生物芯片技术是近年来生命科学领域发展起来的一项新技术，生物芯片的出现引起了国际上的广泛关注。常见的生物芯片包括基因芯片、蛋白质芯片、芯片实验室、细胞芯片、组织芯片、糖芯片及其他类型生物芯片等。生物芯片技术是将微加工技术、微电子技术和分子生物学相结合，在固相介质表面构建微型阵列结构的生物化学分析系统，通过将待测未知目标与芯片上已知探针“杂交”，通过空间分辨确定未知分子。与传统的分析技术相比，生物芯片技术具有明显的优势。生物芯片上集成了成千上万密集排列的分子探针阵列，可以一次性对样品中多种不同物质进行检测和分析，具有高效率、高通量、高速度和并行检测优势，检测效率是传统检测手段的成千上万倍。生物芯片技术被认为是继20世纪大规模集成电路之后的又一次具有深远意义的科学技术革命。在实际应用方面，生物芯片技术广泛应用于基因测序、疾病诊断和治疗、药物筛选、法鉴定、检验检疫、环境检测等许多领域。但是现有的生物芯片技术也存在一些亟待解决的问题，包括技术复杂成本高，重复性差，检测灵敏度低等缺点。现有的二维阵列生物芯片的检测需要高速精密二维扫描，无法保证足够多的探测积分时间以提高信噪比；激发光和发射光之间呈零度，带来严重的背景噪声；荧光的发射来自于自发辐射效应，荧光的转换效率非常低。在本发明中，我们将生物芯片技术与微结构光纤技术相结合，公开了一种新型的微结构光纤生物芯片。

微结构光纤(microstructured optical fiber，MOF)也称空洞光纤，包括光子晶体光纤，是十几年前出现并快速发展起来的一种十分引人注目的新型光纤。它可以由单一介质构成，并且它在横截面方向上有紧密排列的波长量级空气孔，它们构成光纤的微结构包层，而且在光纤轴向基本保持不变。由于其灵活多变的空气孔包层分布，使它具有普通光纤所无法比拟的许多“奇异”特性。特别是纤芯及包层的空气孔为光与物质的相互作用、波导与材料科学的有机结合提供了空间和条件，这使得它在光与物质相互作用特殊环境构建、各种物质性质研究、光传感等领域具有非常广阔的应用空间。在传感领域，通过毛细管效应或外部压力将被测样品填充到MOF内部的空气孔中，被测样品可以和光波以非常大的交叠截面和非常长的作用距离进行相互作用，从而极大地增加光学检测灵敏度。微结构光纤的另一个突出优势是它具有受激辐射放大能力，可以大幅度提高荧光的转换效率。

在微结构光纤内部构建类似于二维生物芯片的分子探针点阵，通过空间分辨进行分子识别目前未见报道。因为微结构光纤的空气孔的直径通常在几微米至几十微米之间，通过点样的方式在这样小的尺度下进行探针固定是不可行的。由于微结构光纤的基质材料主要是石英，在探针固定之前必须对其进行活化处理，以便于探针的固定，提高探针与被测分子之间的特异性结合效率，减少被测分子与孔壁之间的非特异性结合机会。由于微结构光纤空气孔的直径非常小，在微结构光纤内部进行活化处理的效果难以达到要求，从而直接影响了在纤芯环壁内表面上固定探针的可靠性。用微珠固定探针后再填充到光纤内部是另一种可选择方案。但是这种微珠的直径通常很大，对于激发光有很强的散射作用，给最终的光学检测带来严重的背景噪声。更重要的是这种基于微珠的探针固定技术不能将探针置于纤芯环壁100纳米之内，形成有效的光学隔离，更无法产生微腔效应形成受激辐射放大，检测灵敏度难以提高。

发明内容