基于液态金属的可视化微流控芯片及其制备方法和应用

本发明属于材料科学，尤其涉及基于液态金属的可视化微流控芯片及其制备方法和应用。

背景技术：

1、等离子体生物传感器可检测超低浓度的生物分析物。目前，常规生物标志物检测还需要训练有素的操作人员和昂贵的基础设施，限制了其在即时检测(poct)中的应用。理想的poc设备应能在诊所、家庭、工作场所使用，应小型化、便于携带、尽可能自动化、操作简单且易于读出。在不影响生物传感器的准确性和灵敏度的前提下，尽量减少样本用量。微流控技术具有控制小体积流体的能力，具有在单个芯片上实现样品制备、试剂混合、反应时间、分离、过滤和多种分析物检测的潜力。将等离子体生物传感器与微流控技术相结合，是推动其广泛应用于即时检测的重要方法之一。然而大规模制备基于富含纳米间隙结构的等离子体金属纳米材料的生物检测芯片仍然面临巨大挑战。虽然目前的制造技术在实验室内部得到了很大的发展，但由于操作复杂、加工时间长、成本高等问题，限制了其在生物检测领域的广泛应用。除此之外，传统的基于等离子共振的生物检测的信号读出往往需要昂贵的大型设备，如暗场显微镜、荧光光谱仪和拉曼光谱仪等。

2、为了推动微流控检测芯片的发展，使其应用于生物检测领域，首先要解决该类材料制备过程复杂、耗时的问题；另一方面，要摆脱检测仪器或设备的限制，实现可视化、高灵敏度、特异性和检测通量的即时检测。为此我们提出基于液态金属的可视化微流控芯片及其制备方法和应用。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供基于液态金属的可视化微流控芯片及其制备方法和应用，旨在解决上述背景技术中提出的问题。

2、本发明的结构特征为液态金属层与纳米粒子层之间形成的大量具有高电磁场增强的纳米间隙。本发明的光学特征为光谱输出信号位于可见光区，因此可以对生物标志物的含量进行裸眼可视的检测。利用同时具有优异等离子性质和流动性的液态金属强取代传统等离子体共振检测器所使用刚性贵金属薄膜，采用高度集成和小型化的微流控系统简化了构筑过程，在减少样品和试剂用量的同时实现高准确度、高灵敏度、多参数、高通量、快速高效的检测目标。

3、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

4、基于液态金属的可视化微流控芯片的制备方法，包括以下步骤：

5、步骤s1、金属纳米粒子单层膜的制备：将基底依次置于正己烷、丙酮、无水乙醇和去离子水中分别超声2-3min，然后用去离子水清洗基底表面；再将基底放入清洗液中加热至无气泡产生，然后用去离子水清洗基底，氮气吹干备用；通过静电吸附、共价键相互作用、电子束刻蚀和聚焦离子束加工技术在基底表面直接制备金属纳米粒子单层膜；

6、步骤s2、生物分子层的制备：在步骤s1得到的金属纳米粒子单层膜表面包被捕获单元，干燥后，浸泡于钝化液中30-60min；用磷酸缓冲液清洗3-5次后放入已知生物标志物浓度的待测液体中20-60min；此过程中，被测标志物与捕获单元特异性结合，用tpbs溶液清洗3-8次，再依次用磷酸缓冲液和去离子水冲洗，用氮气吹干，得到生物分子层；

7、步骤s3、基于液态金属的可视化微流控芯片的制备：将预先制备的微流控孔道与基底接触的一侧涂抹一层未固化的聚二甲基硅氧烷，将微流控孔道贴在基底表面，在温度高于液态金属熔点的条件下，向微流控孔道内注入液态金属，液态金属覆盖金属粒子单层膜表面，得到基于液态金属的可视化微流控芯片。

8、进一步的，所述步骤s1中，金属纳米粒子层中金属纳米粒子的形状为球形、棒形、星形、立方体形或不规则形状，金属纳米粒子层的金属种类包括金、银、铝和铜，金属纳米粒子的特征尺寸为2-200nm，排列方式为有序或无序，金属纳米粒子的平均密度为20-200000/μm2。

9、进一步的，所述步骤s1中，静电吸附通过带正电或负电的基底，或在基底表面接枝聚电解质、带正电或负电的聚合物实现；共价键相互作用通过氨基或巯基基团实现。

10、进一步的，所述步骤s2中，生物标志物检测层的厚度为0-5μm；捕获单元用于捕获待测蛋白，捕获单元的种类包括蛋白质、小分子、聚合物和核酸类分子，捕获单元通过液体孵育、液体干燥、手动点样、微阵列生物打印机打印或用微流控孔道通入捕获分子溶液的方式固定于步骤s1得到的备金属纳米粒子单层膜表面。

11、进一步的，所述步骤s2中，金属纳米粒子层表面通过进行物理或化学修饰的方式增大捕获分子的包被载量和生物活性。

12、进一步的，所述步骤s3中，微流控孔道的材质为聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯、环状烯烃共聚物或光固化树脂；微流控孔道的宽度为10-100000μm，微流控孔道的高度为10-5000μm。

13、进一步的，所述步骤s3中，液态金属层的金属种类为具有表面等离子体共振性质的液态金属及其合金，液态金属层的厚度大于10nm。

14、上述方法制备得到的基于液态金属的可视化微流控芯片。

15、上述基于液态金属的可视化微流控芯片在生物检测中的应用。

16、进一步的，计算待测液体中生物标志物浓度的具体步骤为：

17、使用裸眼观察或使用设备检测步骤s3得到的基于液态金属的可视化微流控芯片，建立待测生物标志物浓度与固定波长处的反射率差值或灰度值差值的关系曲线；

18、对未知待测生物标志物浓度的待测溶液进行测量，将测得的反射率差值或灰度值差值数据代入所述关系曲线，计算得到待测液体中生物标志物的浓度。

19、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

20、1、本发明采用微流控孔道注入液态金属，对液态金属进行图案化并使其保持稳定，解决了液态金属在粗糙表面浸润性差的问题。

21、2、本发明制备过程简单，无需复杂的金属沉积过程，就能够实现富含纳米间隙结构的构筑。

22、3、本发明使用生物分子层厚度和折射率的信号转导机制，对蛋白质层厚度具有极其灵敏的响应，可以实现厚度灵敏度为4.17％/nm(即厚度变化1nm，光谱反射率变化4.17％)的光谱信号响应。在“新冠抗原多肽/新冠抗体”体系中，检测限达到90.6pg/ml。

23、4、本发明无需表面修饰，实现了蛋白质的无标记检测，解决了传统基于标记的检测方法中试剂成本、操作和时间成本、时间稳定性的问题。

24、5、本发明中可视化微流控生物检测芯片的光谱信号输出位于可见光波段，宏观表现为颜色深浅的变化，因此检测信号可以通过裸眼、智能手机、显微镜和光纤光谱仪读出，实现便捷的可视化检测。

25、6、本发明与传统的贵金属等离子体共振生物传感器相比，该可视化微流控生物检测芯片使用更为常见的液态金属，且使用后可回收，成本低廉；同时与微流控系统集成，进一步减少试剂和样品的消耗量，降低了成本。

26、7、本发明中的可视化微流控生物检测芯片具有良好的时间稳定性(在室温下储存16周无明显信号衰减)和批次稳定性，检测快速(约30min)，无需专业人员操作。

27、8、本发明中的可视化微流控生物检测芯片无需外加注射泵、电源、检测器等设备，可以对复杂组分液体(如血清、血浆、全血等)中的生物标记物分子进行高灵敏度和高特异性的即时检测。

28、本发明从制备到检测具有简便快速的特点。在实际血清标记物poct检测中展现了很好的精准度和稳定性。