（生物医学工程专业论文）光子晶体凝胶编码载体的制备及在多元分析中的应用.pdf

i i i 1 1 1 1 ：! ：! ：! ：； 1 1 2 3 量子点编码5 1 1 3 光子品体编码方法6 1 1 3 1 什么是光子晶体6 1 1 3 2 光子晶体的制备6 1 1 3 3 光子晶体编码7 1 1 3 4 光子晶体编码与多元生物分析8 1 2 光子晶体凝胶1 0 1 2 1 光子晶体凝胶的制备1 0 1 2 1 1 非密堆积型光子晶体凝胶1 0 1 2 1 2 其他光子晶体凝胶的制备1 2 1 2 2 光子晶体凝胶的应用。1 3 1 2 2 1 光子晶体凝胶在传感上的廊用1 3 1 2 2 2 光子品体凝胶在分子印迹上的应用一1 5 1 3 本论文的主要研究内容1 8 1 4 参考文献2 0 第二章光子晶体凝胶微球的制备2 4 2 1 弓i 言2 4 2 2p e g d a 水凝胶材料制备的光子品体凝胶微球一2 4 2 2 1 试剂与仪器2 4 2 2 1 1 试齐u 2 z 2 2 2 2 仪器2 4 2 2 2 光子晶体p e g d a 凝胶微球的制备一2 5 2 2 2 1 水相溶液的配置2 5 2 2 2 2 油相溶液的配置2 5 2 2 2 3 单分散光子晶体凝胶微球的制备2 5 2 2 3 光子品体凝胶微球的表征2 6 2 2 4 结果与讨论2 6 2 2 4 1 光子晶体凝胶微球的表征2 6 2 2 4 2 影响光子晶体凝胶微球粒径人小的冈素2 9 2 2 4 3 光子晶体凝胶微球的特殊性质3 0 2 3 琼脂糖凝胶材料制备光子晶体凝胶微球的探索3 1 一3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 3 2 2 3 3 结果与讨论3 3 2 3 3 1 水凝胶材料的选择一3 3 2 3 3 2 光子晶体琼脂糖凝胶微球的表征3 3 2 3 3 3 琼脂糖材料的可行性研究3 3 2 4 结论3 4 2 5 参考文献3 5 第三章光子品体凝胶薄膜的制备3 6 3 1 序言： 6 3 2 实验部分3 6 3 2 1 试剂与仪器3 6 2 2 1 1 试剂3 6 3 2 2 2 仪器3 7 3 2 2 离子交换树脂纯化胶体溶液3 7 3 2 3 非密堆积胶体晶体的反射光谱3 7 3 2 4 非密堆积光子晶体凝胶薄膜的制备3 7 3 ，2 5 凝胶薄膜的表征3 8 3 2 6 不同形状光子晶体凝胶薄膜的制备3 8 3 3 结果与讨论3 8 3 3 1 不同品面间距的非密堆积胶体晶体3 8 3 3 2 光子晶体凝胶薄膜3 9 3 3 3 光子品体凝胶薄膜的表征4 0 3 3 4 不同形状的光子晶体凝胶薄膜4 l 3 4 总结z 1 2 3 5 参考文献一4 3 第四章光子晶体凝胶编码载体的生物应用4 4 4 1 弓i 言1 4 4 2 光子晶体凝胶微球在d n a 分子多元生物分析中的应用4 4 4 2 1 仪器与试剂4 4 4 2 1 1 试齐0 z 和4 4 2 1 2 仪器z 1 5 4 2 2 光子品体凝胶微球在d n a 分子多元分析中的应用4 5 4 2 2 1 光子晶体凝胶微球的功能化4 5 4 2 2 2 光子晶体凝胶微球检测d n a 分子浓度4 5 4 2 3 结果与讨论4 6 4 2 3 1 光子晶体凝胶微球的d n a 浓度检测4 6 4 2 3 2 光子晶体凝胶微球标记检测多种d n a 分子4 7 4 3 光子晶体凝胶薄膜在蛋白分子多元分析中的应用4 8 4 3 1 仪器与试剂4 8 4 3 1 1 实验试剂4 8 4 3 1 2 实验仪器4 8 4 3 2 光子晶体凝胶薄膜在蛋白分子多元分析中的应用4 9 4 3 2 1 光子晶体凝胶薄膜的功能化4 9 4 3 2 2 光子晶体凝胶薄膜检测蛋白分子浓度4 9 4 3 2 3 光子品体凝胶薄膜用于蛋白分子的多元分析5 0 4 3 3 结果与讨论5 0 4 3 3 1 蛋白分子在光子晶体凝胶薄膜上的| i i i l 定条件5 0 4 3 3 2 光子晶体凝胶薄膜的不同蛋白浓度检测5 1 4 3 3 3 光子晶体凝胶薄膜的蛋白分子多元分析一5 2 4 4 结论! ；：； 4 5 参考文献5 4 第五章总结与展望5 5 j i 谢5 6 硕士期间发表论文和专利申请5 7 论文! ；7 二 ；利! ；7 摘要 摘要 多元分析技术是一种同时分析大量生物分子相互作用的技术，具有很多传统免疫分析无法比拟的优 点。在这种技术中，需要对生物分子的载体进行编码，通过载体编码和探针分子的对应来实现对生物分子 的编码，从而实现对筛选过程进行追踪和检测。近年来，光子品体材料作为编码载体应用于多元分析领域 倍受人们的青睐。光子晶体的周期性长程有序结构会产生明亮的结构色，这种颜色具有优良的光谱学特性， 在可见光范围内具有特征反射峰且不易受外界环境的影响。相对于荧光染料编码和量子点编码方法而言， 采用光子晶体的特征反射峰进行编码具有良好的稳定性。三维结构的水凝胶载体可以固定较多的生物分 子，可以使生物分子有更多的空间与靶分子反应，显示更高的灵敏性。所以，将水凝胶与光子晶体相结合 的光子晶体凝胶材料作为编码载体既具有光子品体编码的优势，又具有水凝胶材料的特点。论文正文部分 的前两章分别探讨了光子晶体凝胶微球和光子晶体凝胶薄膜的制备方法，第四章则分别研究了光子晶体凝 胶微球和光子品体凝胶薄膜作为生物分子的编码载体分别应用于d n a 分子和蛋白分子的分析。具体开展 的下工作如下： ( 一) 基于微流控的思路设计和搭建了一套单分散光子晶体凝胶球形液滴的发生装置，并以乳液液滴为 模板光聚合成大小可控、尺寸均一的光子晶体凝胶微球。非密堆积的光子品体凝胶微球的特征反射峰可以 通过其含有纳米粒子的多少米进行调控，从而实现编码量的扩展。 ( 二) 提出了一种制备非密堆积型光子晶体凝胶薄膜的方法，利用二氧化硅纳米粒子的静电排斥作用自 组装形成非密堆积型胶体晶体。用聚丙烯酰胺高分子水凝胶锁定其有序结构形成光子晶体凝胶薄膜。通过 掩模照射的方法可以得到不同形状的光子晶体凝胶薄膜，配合薄膜的反射峰，可以实现编码量的扩展。 ( 三) 将光子晶体凝胶微球和光子晶体凝胶薄膜作为编码载体分别应片；i 于d n a 分子和蛋白分子的分 析。结果显示采用光子品体凝胶编码载体进行生物分子的分析可以实现较高的灵敏性。 关键词：光子晶体凝胶微球，光子品体凝胶薄膜，微流控，多元分析 h o m o g e n e o u sw a t e rs u r r o u n d i n g ，h a v eb e e n a ni d e a la i m n a t i v es u b s t r a t eo r p l a t f o r m f o r b i o m o l e c u l a rd e t e c t i o n 1 1 1 et h r e e d i m e n s i o n a l h y d r o g e l c a r r i e r ss h o wh i g h c a p a c i t y f o r b i o m o l e c u l e si m m o b i l i z a t i o n , m u c hp r o b a b i l i t yo fi n t e r a c t i n gw i t ht h et a r g e tl i g a n d ，h i g hs na n d s e n s i t i v i t y i ti sa n t i c i p a t e dt h a tt h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lc a r t i e rc o u l dh a v et h ea d v a n t a g e so f p h o t o n i cc r y s t a la n dh y d r o g e l i nt h ef i r s tt w oc h a p t e r so ft h et e x to ft h i sd i s s e r t a t i o n ，w ed i s c u s s e d t h ef a b r i c a t i o no fp h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lb e a d sa n dp h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lf i l mr e s p e c t i v e l y i nt h ef o u r t hc h a p t e r , w es t u d i e dt h eb i o m o l e c u l a rd e t e c t i o nw i t ht h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e l c a r d e r s t h ew o r kd e t a i l sa r ea sf o l l o w s ： 1 as i m p l ed e v i c ew a sd e s i g n e dt og e n e r a t em o n o d i s p e r s el a t e xd r o p l e t ，w h i c hc o u l db e p o l y m e r i z e dt of o r mp h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lb e a d s t h er e f l e c t i o np e a k sc a nb ev a r i e db y c h a n g i n gt h ev o l u m ef r a c t i o no ft h es i l i c an a n o p a r t i c l e si nt h ed r o p l e t sb e c a u s eo fn o n c l o s ep a c k e d s t r u c t u r e , w h i c hc o u l dl e a dt oh u g ec o d i n gc a p a c i t y 2 am e t h o dw a si n t r o d u c e dt of a b r i c a t et h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lf i l m b a s e do nt h e s t a t i c e l e c t r i ci n t e r a c t i o n ，t h ep u r i f i e dc o l l o i d sf o r mn o n c l o s ep a c k e dc o l l o i d a lc r y s t a l s ，w h i c hw e r e l o c k e di nh y d r o g e l st of o r mt h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lf i l m d i f f e r e n ts h a p e so ff i l mc a nb e o b t a i n e du n d e rt h em a s kb yu ve x p o s u r e t h ep e a l 【p o s i t i o nc o m b i n e dt h es h a p ec o u l dr e s u l ti n h u g ec o d i n gc a p a c i t y 3 t h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lb e a d sa n dp h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lf i l mw e r eu s e da st h e e n c o d i n gc a r r i e r sf o rt h ea n a l y s i so fd n a a n dp r o t e i n a n dt h e ys h o wt h eh i g hs e n s i t i v i t yi nt h e b i o m o l e c u l a rd e t e c t i o n k e yw o r d s ：t h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lb e a d s ，t h ep h o t o n i cc r y s t a lh y d r o g e lf i l m ，m i c r o f l u i d i c ， m u l t i p l e xa n a l y s i s ； i i ( 1 2 1 ，在临床诊断与基础研究、d n a l j 基冈分析、高通量药物筛选等众多方面发挥着关键性的作用。多元分析技术是一种同时分析火量种类的生 物分子相互作用的技术，具有很多传统免疫分析无法比拟的优点：可以在一次分析中对多个分析物进行筛 选；与传统的一元分析相比，多元分析技术可以使多种分子同时被分析，从而节省了分析时间、成本和样 品的消耗量。进入后基因组时代以来，人们要求在越米越小的生物样品上获得越来越多的生物分子信息。 多元分析技术可以满足对筛选过程中的不同反应进行跟踪，能够在同一样品中同时分析多个反应过程。听 以，在多元分析技术中，需要对生物分子的载体进行编码，通过载体的编码和探针分子的对应来实现对生 物分子的编码，从而实现对筛选过程进行追踪和检测。目前主要有两种编码载体应用于多元分析中：固定 编码载体和流动编码载体。 ( a ) o 餮 o ：渤缈 毒 k 璐一 ( b ) 甏缓渤 鼍? 一一一。0 ：豢镑 彩 i ) n a m i c n m r r a y 图1 - 1 ( a ) 平板阵列型基因芯片( b ) 生物分子的流动式载体 1 1 1 固定编码方法一生物芯片 1 1 1 1 生物芯片的概念 所谓生物芯片指高密度固定在同相支持载体上的生物信息分子( 如基冈片段或多肽、蛋白质等) 的微阵 列，阵列中每个分子的序列及位置都是已知的，并且是预先设定好的序列点阵【3 】，是同定编码技术的典型 代表。这种技术是指在平面载体上建立二维探针分子( 抗体，核酸等) 的坐标，对于一种靶分子来说每个阵 列x y 坐标代表一个探针，也就是说每一种探针分子都具有一个特定的x y 坐标编码，通过该编码可以确认 探针分子的种类( 图1 1 a ) 。这种检测方法现己成为生物分子并行检测的主要方法。随着2 0 0 1 年“人类基冈组 计划”的完成，以基冈芯片为主体的一系列的生物分子多元检测方法在基冈序列和蛋白分子功能分析领域 占据着不可取代的地位【4 】。基冈芯片概念的提出，将计算机芯片高度集成、并行处理和可寻址分析的思想 1 一 旗v 冀套v a 学位论文 1 1 1 2 生物芯片的应用 高效率的全新的分析工具，使其在生物分析领域得 化学反应微缩化和快速化的器件，如p c r ( 聚合酶链 计算机技术、微电子与微机械( m e m s ) 技术和信息 图1 2 生物芯片一基因芯片 生物芯片最初是作为一种核酸测序工具被开发。后来，蛋向芯片、细胞芯片等其他生物芯片也陆续出 现。作为一种高通量的检测手段，芯片技术很快在基因表达分析、药物筛选、临床诊断甚至在军事对抗和 反恐怖斗争等多领域显示出良好的应用前景。美 c o m b i m a t r i x 公司利用基于金属氧化物( c o m p l i m e n t a r y m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r , c m o s ) 传感器微阵列的生物战剂检测芯片，可以迅速对炭疽杆菌等生物武器进 行快速检测，也能对人量化学战剂进行检测【5 】o 1 1 2 常用流动编码载体的编码方法 尽管生物芯片被誉为2 l t h = 纪生命支撑平台，但是生物芯片也存在由其方法学原理所决定的同有缺点。 这种固定编码方式的位置是同定不变的，被检测分子要到达探针分子的位置并与之反应会受扩散速度的限 制，需要较长检测时间。所以近年来，将探针分子固定在编码微粒子表面的流动编码载体在生物多元分析 中成为一种有吸引力的选择【6 ，h 。这种流动编码载体具有高流动性，在检测时由于探针分子和被检测分子 可以在溶液中被充分混合，具有一定的“主动性”，因而极大地缩短了靶分子到达探针分子的扩散时间，提 高了检测速度。为了实现高通量的分析，解码系统必须能够快速可靠的识别每一种编码。目前所常川的流 动编码方法包括图形编码，荧光分子编码，量子点编码等。 1 1 2 1 图形编码 图形编码可分为简单的一维条形码和复杂的二维阵列图形两种。图形编码中刚的最多的图形为条形 码。条形码的形成方法很多，如电镀法、干燥刻蚀法、光学平版印刷法、激光刻蚀法等 8 q 0 1 。利用图形编 码得到的编码量无疑是无限的，但是这些编码载体的制备却是非常耗时的。k i m 等】利用一种图形编码硅 粒子作为d n a 同定的基底。先用刻蚀的方法制备出图形编码的硅粒子，这种编码粒子可以作为识别每个对 应探针的数据追踪系统( 图1 3 a ) 。w i l l s o n 等【l2 】将水凝胶聚合的同时在其上方加盖不同形状的掩模，制备成 不同形状的水凝胶载体，将这种载体用于d n a 多元分析。l e e 等b 3 利刚图形编码的硅纳米管作为编码载体 进行蛋白分子高灵敏度的多元检测。这里的硅纳米管是利片j 阳极电镀方法合成，由于每个纳米管很多部分 2 图l 一3 ( a ) 图形编码硅粒子作为d n a 基底( b ) 图形编码的硅纳米管载体( c ) 聚合物二维图形编码载体 1 1 2 2 荧光分子编码 荧光编码方法的原理是将含有荧光染料的胶体粒子用物理或化学方法结合到微球载体表面，通过荧光 显微镜识别荧光信号就可以确定与载体结合的探针分子的种类。l u m i n e x 公司【l5 】利用固定比例的各种荧光 染料的方法来编码聚合物微球，编码的数量由染料的颜色数量以及各自使用的比例来决定。检测这种编码 微球时，需要用红、绿两束不同颜色的激光射向包含有荧光微球的溶液，红色的激光用于显示微球的编码 色，而绿色的激光用于记录流过的微球的数量( 图1 _ 4 ) 。但是用r 编码的荧光染料本身并不十分稳定，在强 紫外照射，高温或者长期储存的情况- 卜容易发生淬灭。而且多种荧光染料的激发光谱和发射光谱会有重叠， 这些都严重限制了使用的荧光染料的种类。i l l u m i n a 公司6 j 开发了一种b e a d a r r a y 技术( 图1 5 ) ，该技术是把 带有编码地址的核酸探针同定到微球的表面，地址序列中标记了两种荧光染料用于编码微球，探针序列则 用于杂交反应来检测核酸分子。这种技术不但具有同定编码载体和流动编码载体的特点，还具有高通量筛 选的有优势。但是，荧光染料本身容易发生淬灭的问题并没有得到解决。 3 图1 - 4 ( a ) l u m i n a x 多元分析阵列( b ) l u m i n e x 公司基于荧光微球编码载体的生物检测装置 i | l u m i n am u l t i s a m p l ea r r a yf o r m a t s o p t i c a lf i b e r strandstrand i ” c l a d d i n g c o t e 、， 。豁凑i 翻i l i o nw 甜e l 曩躲 a c i d 。n e t c h 、一二 魏囊l 翟褫 p l a s m a e t c h i n 9 3 - p m t w e l l s 馘乞气镳1 乏 i锄彩乞唆o l o 霪c l e a n i n g 图1 - 5i l l u m i n a 公司的b e a d a r r a y 技术示意图 4 第一章绪论 1 1 2 3 量子点编码 近年来，一种可以避免淬灭和光谱重叠的纳米粒子引起了越来越多的关注，这就是量子点【1 7 j ( 1 刭1 6 1 。 量子点是一种荧光半导体纳米晶体，由i i v 族元素组成的纳米颗粒。目前研究较多的是c d s 、c d s e 、c d t e 、 z n s 等。半导体纳米晶体具有连续的激发光谱，可以通过调节颗粒的大小来得到连续的发射光谱。与荧光 染料相比，量子点的光稳定性更好，即使储存时间较长，也能具有较好的稳定性，不容易被淬灭，因此是 作为荧光编码的理想材料。另外，量子点的发射光谱很窄，仅用一种波长的光就可以同时激发多种大小的 纳米晶体，这样一来，用最小的光谱带隙就可以得到多种颜色的发射光。w a n g 等| 1 8 1 将量子点与凝胶微球 相结合，利用水凝胶交联不同大小的水溶性量子点( 图1 - 7 a ) 。不同人小的量子点产生不同的颜色，从而产 生多颜色的编码微球。r o b e r tw i l s o n 等【l9 】人将磁性微球外面包裹量子点作为编码载体进行多元分析( 图 1 - 7 b ) 。但是量子点具有一个很大的缺点，就是常用的c d s 、c d s e 、c d t e 、z n s 等具有较强的生物毒性，不 利于生物分子的检测和多元分析。 ( a ) i 十彩0 m i c r l 鬈e l c d t e s p h e r e s n c s 辔 铭 。 妨勿飞 0 貉彩0 0 灞 。 图l _ 6 不一颜色的量子点 m u l t i c o l o r s p h e r e s 图l - 7 ( a ) 含有量子点的编码水凝胶微球载体( b ) 磁性微球包裹量子点 5 d _ 口 埘 州一一 舯一 一一 东南人学硕上学位论文 1 1 3 光子晶体编码方法 1 1 3 1 什么是光子晶体 1 9 8 7 年，y a b l o n o v i t c h 和j o h n 分别在讨论周期性电介质结构对材料中光传播行为的影响时各自独立地提 出“光子晶体”这一新概念【2 0 2 1 】，即一种介电常数空间周期变化的具有光子带隙的材料，其介电常数变化周 期落在可见光波长范围内。由于光子晶体的许多新的性质及其广阔的应用前景，在其以后的十几年里得剑 了广泛的研究1 2 z - 巧j 。其实，在自然界的很多动物中都存在天然光子晶体结构，其复杂程度和精妙设计超出 人类想象。光子晶体结构广泛存在于昆虫和鸟的组织和器官中f 2 引，如蝴蝶的翅膀，孔雀的羽毛等。它们漂 亮的颜色，不是由色素引起的，而是介电常数周期性排列产生的。 id2 d3 d 图1 9 光子晶体的维数 光子晶体的最根本的性质是具有光子禁带，频率落在禁带中的光是被禁止传播的【2 7 】。光子晶体因具有 光子禁带而具有抑制自发辐射和光子局域化的功能。当原子的白发辐射的频率落在光子品体的光子禁带 中，原子的自发辐射就不能在光子晶体中传播而体现为自发辐射抑制，而当光子品体的光子禁带中存在缺 陷态时就体现为原子自发辐射增强。所谓“光子局域”( p h o t o nl o c a l i z a t i o n ) 是指在光子晶体中，如果原有的周 期性或对称性受剑破坏，在其光子禁带中就有可能出现频率极窄的缺陷态，与缺陷态频率吻合的光子会被 局域在出现缺陷位置，一但偏离缺陷位置光就将迅速衰减。 1 1 3 2 光子晶体的制备 光子晶体的制备主要有两类方法：自上而卜( t o p d o w n ) t j 法和白一 ! 而i - ( b o t t o m u p ) 方法。自上而下的方 法包括微加工技术、后来采用的由微电子技术中的电子芯片制造技术演化而来的机械钻孔法【2 8 1 ，逐层叠加 法口9 1 和沉积刻蚀法【3 0 1 等。随着纳米制造技术的发展，近几年又发明了用多重相干激光束的全息平板印刷法 6 第一章绪论 口4 j 和激光引导的立体平板印刷法【3 i 】等“自上而下”的方法，并且受剑人们的广泛关注。但是这种自上而卜的 制备方法有其自身的缺点：第一，制备成本较高；第二，不利于大面积制备。基于以上特点，近年来，由 下而上的胶体自组装制备方法得到了更为广泛的关注和发展【3 2 】。1 9 9 5 年，a s t r a t o v 等【3 3 】将胶体粒子进行了 自组装，使人们第一次认识到人造蛋白石结构在光子晶体方面的潜在意义。常见的自组装方法有重力沉降 法、垂直沉积法、膜过滤法、场组装法和静电白组装法等【3 9 1 。重力沉降法利用胶体悬浮液中的胶体粒子 在重力场的作用下，自然沉降堆积形成紧密堆积的光子晶体。垂直沉积法【柏】是利用插入胶体悬浮液的基质 和胶体悬浮液的液面形成的新月面处胶体粒子的堆积形成的光子品体，光子晶体的厚度可以通过胶体悬浮 液的浓度高低调控( 图1 1 0 ) 。场组装法也是利用外力场的作用使纳米粒子堆积形成光子品体。 e 酊c i a a t i o n 图1 1 0 垂直沉积法制备光子晶体 树e 静电自组装是指带电纳米粒子之间的静电排斥作用使其在水环境中能够保持稳定而不聚集。静电作用 比较弱时，纳米粒子呈无序状态分布；当静电作用足够强时，纳米粒子就从无序态转变至有序态。纳米粒 子间静电排斥会因悬浮液中其他杂离子的存在而被屏蔽，因此，降低胶体悬浮液中的杂离子就可以实现的 胶体静电自组装。静电自组装形成的是非紧密堆积型胶体晶体，纳米粒子彼此并不是紧密接触，纳米粒子 的间距可以通过改变纳米粒子浓度等调节【3 引。在这本论文的第二章中制备光子晶体凝胶薄膜就是根据这一 方法进行制备。 二；碧一 e x c d i h a l a y n g e s i s ! r e s i i o n 4 - - n t 跚- 4 , - * 。= , l 三i ：+ ； 1 1 3 3 光子晶体编码 图1 - 1 1 静电自组装法制备光子品体 光子晶体的周期性有序结构产生明亮的结构色，这种颜色具有优良的光谱学特性，在可见光范围内都 7 东南大学顾十学位论文 具有特征反射峰且不易受外界环境的影响。利用光子晶体的特征反射峰作为编码元素，反射峰来自其物理 结构，不会发生淬灭等现象。相对于传统的编码方法而言，采用光子晶体反射峰进行编码具有良好的稳定 性，编码解码的简易性等诸多优点，还可以获得巨大的编码量以实现高通量检测的要求。光子晶体编码2 0 0 1 年首先l l t s a i l o r 等【4 1 4 2 】提出。利用光子晶体多孔硅薄片作为流动生物编码载体，利用其反射光谱作为编码 元素，并将其用于生物检测( 图1 1 3 ) 。这种载体具有相对较大的尺寸，对光学解码系统要求不高，而且不 需要激发荧光，因此大火简化了解码过程。与其他类型载体相比，硅基材料无毒性并很容易与微流控检测 分析芯片等整合实现高通量检测，所以这种编码载体出现之后受到了广泛的关注。 nl87自qm 图1 1 2 基于多孔硅光子晶体编码载体的生物检测 1 1 3 4 光子晶体编码与多元生物分析 由于光子晶体具有前面所述的特殊性质，使其在很多领域得到了广泛应用。近年来，光子晶体还在生 物多元分析中有j “泛的应用。在生物传感器、生物芯片或者生物分子检测中，通常要在同体表面同定一种 生物分子如抗体、寡核茁酸探针等，然后检测他们同溶液中的抗原或者核酸之间的结合或者杂交反应。z h a o 等m 舶1 通过微流控装置制备出了单分散性好，粒径可控的二氧化硅光子晶体微球，并将其作为生物分子载 体，以其特征反射峰作为编码元素对蛋白分子( 如肿瘤蛋白分子) 进行生物多元分析。 ( a ) c q g 尘 o z w a v e l e n g t h ( n m ) 图1 1 3 ( a ) 二氧化硅光子品体微球及其反射光谱( b ) 三种光子品体微球用于蛋白分子的多元标记检测 除了光子晶体可以用于荧光免疫检测，利用光子晶体为模板制备的反蛋白石结构光子晶体同样能用于 一8 - 第一章绪论 非标记检测分析。所谓非标记检测就是直接检测自然原始( n a t i v e ) 状态的生物分子，将去除生物分子标记的 影响，不但使检测结果更加准确和更有说服力而且省去了生物分子标记的时间与成本。由于非标记检测需 要将生物分子相互作用转化为可测量的信号，而不是直接测量标记分子的信号。因此，近几年来一些能传 感生物分子相互作用对周同环境参数改变的材料或者技术被相继应用n t p - 标记检测中。总体而言，非标记 检测技术多种多样，如电化学检测技术 4 7 , 4 8 ，表面激元共振( s p r ) 传感技术1 4 9 , 5 0 ，光子晶体检测技术【4 5 1 ， 微天平技术【5 l 】、微臂悬垂技术吲、液晶技术【5 3 ，5 4 1 等。在光子晶体非标记检测技术中，q i a n 等在反蛋白石 光子品体的三维多孔结构内表面上固定上抗体，当遇剑相应的抗原时发生抗原抗体的结合反应，从而导致 多孑l 结构内表面的蛋白质分子层厚度变化，这种变化同样引起晶体孔内介质的折射率变化。通过品体反射 光谱反射峰的移动可以定量的检测生物分子的相互作用。z h a o 掣4 5 j 将上述技术应用于三维反蛋白石结构的 光子晶体微球上，并引入具有实际临床检测意义的肿瘤蛋白标记物，实现了1 f 标记多元检测。 ( a ) ( c ) 0 图1 1 4 不同方法的非标记检测技术( a ) 电化学方法应用于非标记检测( b ) 表面激元共振( s p r ) 传感技术应用 于非标记检测装置图( c ) 利用液晶光学性质进行非标记检测和高通量微流控免疫测定( d ) 微臂悬垂技术应 用于非标记检测 9 一 一 掣鄹墨坠孵重型熙圈 堂曛一 型孵薯 东南人学硕士学位论文 ( b ) i n v e r s e o p a l p h o t o n i cc r y s t a l b e a d s ( c ) r e s u l l 墨 “d 叼7 叼i 毒7 瓜漓a ij i w l v e l e n g t h 图1 - 1 5 ( a ) 反蛋白石光子晶体微球非标记检测示意图( b ) 反蛋白石结构光子晶体微球显微镜照片( c ) - - 种反 蛋白石结构光子晶体微球用于肿瘤蛋白非标记检测 1 2 光子晶体凝胶 目前的光子品体编码载体多数都是固相载体，即非均相载体。对于非均相载体而言，生物分子在同液 界面上反应，使得生物分子缺乏一个良好的生物相容性环境。所以越来越多的研究指向了水凝胶这种均相 载体材料，使得水凝胶材料成为生物分子载体的研究热点。 水凝胶具有独特的物理化学性质( 如三维网状结构，良好的生物相容性，低生物毒性等) 。由于水凝胶 独特的物理化学性质，因此被广泛地运用在工业、材料、生物等领域【5 6 1 。水凝胶的制备方法很多，通常使 用最为广泛的是温度引发制备水凝胶和紫外辐射制备水凝胶。水凝胶的应用十分广泛，可以作为组织填充 剂。聚合物水凝胶还可以应用于微胶囊用作药物载体的研究，将药物送达生物体的某个部位再进行缓慢的 释放【57 1 。水凝胶还可以用于生物传感器的研究。除此之外，水凝胶具有的三维网状结构及其良好的生物相 容性可以应用于细胞培养的研究等领域。 由于水凝胶具有独特的理化性质，所以将水凝胶材料与光子晶体相结合的光子晶体凝胶材料作为编码 载体既具有光子晶体编码的优势，义具有水凝胶材料的特殊性质，有望在基因组学、蛋白质组学、组合化 学、药物筛选以及临床诊断领域有广泛的应用并实现商品化。 1 2 1 光子晶体凝胶的制备 1 2 1 1 非密堆积型光子晶体凝胶 k r i e g e r - 等 5 8 1 提出带电荷单分散的纳米粒子在溶液中由于静电排斥作用，能够自组装成高度有序的非紧 密堆积的有序结构非紧密堆积型胶体晶体。单分散的纳米粒子之间静电排斥作片j 可使纳米粒子间距离 根据纳米粒子的浓度不同变得可调。胶体悬浮液体系趋于能量最低状态而自组装形成三维周期性心面立方 1 0 l詹 第一章绪论 ( f c c ) 或体面立方( b c c ) 有序结构。根据b r a g g 公式： 五= 2 n d s i n 0 ( 1 ) 其中九是b r a g g 衍射峰的波长，雅晶面间距，n 是平均折射率，0 是入射角。衍射峰波长的位置决定于光 子晶体的晶面间距和平均折射率。对于紧密堆积型光子晶体材料，品面间距是固定值，而体系的折射率可 调范同很小，其衍射峰的波长改变比较小；而对非紧密堆积型胶体晶体而言，晶面间距远大于纳米粒子直 径，并且可以通过改变胶体悬浮液的胶体浓度( w v ) 改变晶面间距，所以其衍射峰的波长比较容易改变。 o o o oo 图1 1 6 ( a ) 密堆积型胶体晶体( b ) - l p + 密堆积型胶体晶体 利用带电荷的单分散纳米粒子，如二氧化硅纳米粒子或聚苯乙烯( p o l y s t r y e n e ) 纳米粒子，依靠其静电排 斥作用自组装成非紧密堆积型胶体晶体。但是，非紧密堆积型胶体晶体通常是不稳定的，容易受外界环境 的影响而遭剑破坏( 如外界震动、温度变化及杂离子的掺入等) 。所以，为了维持非密堆积型胶体晶体结构 的稳定，在非紧密堆积型胶体晶体中引入高纯度的中性聚合单体( 如丙烯酰胺a c r y l a m i d e ) ，原位聚合成水凝 胶网络锁定非紧密堆积型胶体品体的有序结构，形成光子品体凝胶。a s h e r 研究组【5 9 j 首先探索了聚合晶胶 阵列的制各，这是一种既具有光子晶体的光学性质又具有水凝胶的环境响应和形状记忆特性的新型材料。 p c c af a b r i c a t i o n + 爨蒸燃e _ j ：哆，：s 舞徽 + ：耋警j j ，舞 簟，：。7 叠：- j 曼+ - ，- ? e + - _ 二。 图1 1 7 聚合晶胶阵列制备原理图 东南人学硕1 j 学何论文 c c ap c c a 图1 1 8a s h e r 研究组制备的聚合晶胶阵列( p c c a ) 照片 1 2 1 2 其他光子晶体凝胶的制备 除了1 2 1 1 节中讲到的非密堆积型光子晶体凝胶制备外，很多研究组也在研究其他方法来制备光子晶 体凝胶材料，例如模板法。单分散微米或亚微米颗粒通常按面心立方堆积的模式形成胶体晶体其颗粒间 有约2 6 的空隙。可以在此空隙间填充某种物质( 有机、无机等) ，再通过煅烧除去有机颗粒或通过酸刻蚀 除去无机颗粒，就能得到多孔材料。这种方法是近年来备受关注的制备人孔材料的方法，其特点是除去颗 粒模板后留下的孔仍然是三维有序的，是胶体晶体的反向复制唧】。三维有序大孔材料是制备光子晶体的重 要材料，因此很多课题组运用这种方法制备三维有序大孔水凝胶材料，由于人孔水凝胶材料具有有序结构， 所以这种水凝胶材料也具有光子晶体的各种特性，成为水凝胶研究领域的又一重点。t a k e o k a 等【6 i ，6 2 l - f i - 先 采用重力沉积的方法制备了二氧化硅蛋白石结构，在蛋白石结构空隙间填充聚异丙基丙烯酰胺水凝胶，凝 胶聚合后将二氧化硅模板腐蚀掉即得三维有序人孔的水凝胶材料。 图1 1 9 模板法制备三维有序大孔水凝胶示意图 1 2 第一章绪论 图1 2 0 ( a ) 模板法制备的三维有序大孔凝胶