一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法技术

本发明专利技术涉及一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法，先在太赫兹超材料芯片的基底表面引入氨基或其他活性官能团以实现预处理，然后在预处理的太赫兹超材料芯片表面涂覆预聚物单体溶液，形成预聚物薄膜，最后经聚合反应实现太赫兹超材料芯片的水凝胶功能化。本发明专利技术巧妙结合水在THz波段强烈吸收特点和响应性水凝胶与靶分子特征反应过程的水含量变化特性，将液相环境中靶分子特异传感问题转化为THz超材料技术对表面修饰响应性水凝胶层水含量的高灵敏检测。同时，该功能化修饰方法通用性好，简便、快捷，抗非特异性吸附能力强，生物相容性高。

A Functionalization Method of Terahertz Metamaterial Chip Hydrogel

【技术实现步骤摘要】
一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法
本专利技术属于太赫兹生物检测
，涉及一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法。
技术介绍
太赫兹(Terahertz，THz)波是指波长为30μm-3mm，频率为0.1THz-10THz，位于微波和红外波段之间的电磁波，处于经典电磁学向量子力学过渡区域，生物大分子间弱相互作用模式(氢键网络、范德华力以及生物分子骨架集体振动或转动)位于THz波段内。因而THz波技术具备应用于生物传感的广阔前景，可通过其波段内不同的吸收峰位置和强度来表征生物物质的分子结构和相互作用等信息。然而受限于THz波长(1THz～300μm)与生物分子(nm级别)尺度严重失匹配，相关研究仍局限于干燥状态下大量生物物质与聚乙烯等THz波段低吸收介质的压片检测。虽然新兴的THz超材料技术可通过周期性亚波长金属结构产生的局域共振增强电场提升生物物质的吸收截面从而提高检测灵敏度，且已有通过物质特征吸收峰与超材料共振峰的耦合提升检测特异度报道(LeeDK,KangJH,LeeJS,etal.Highlysensitiveandselectivesugardetectionbyterahertznano-antennas.[J].ScientificReports,2015,5:15459.)，但上述检测依然是在靶物质干燥状态下的测量。由于液相环境中水强烈吸收的干扰(水在1THz处吸收约为230cm-1)，任何生物分子干燥状态下的特征吸收都会湮没于溶液的强吸收环境中，仅表现为溶液吸收强度平缓而单调的改变。因此，复杂液相环境中生物分子的高特异检测是横亘在THz波无标记生物传感领域中亟待解决的难题。水凝胶是一种以水为分散介质的三维网状交联的亲水聚合物，可以吸水溶胀但不溶解，具备良好的生物相容性。其中，可以对周围环境的变化产生物理或化学性质的可逆变化的水凝胶即为响应性水凝胶或智能水凝胶。响应性水凝胶不仅可对外界环境的温度、PH值、离子强度、光、电场或磁场等刺激产生特征响应；更可通过凝胶网络骨架中垂饰的特征基团与环境中存在的靶分子相互作用产生凝胶网络结构及体积的变化，即为凝胶网络水含量的变化，可用于体内药物缓释递送、生物传感和组织培养等方面。通过整合表面等离子体共振平台、光学干涉仪、布拉格衍射传感器或微棱镜传感器平台等，探测响应性水凝胶在与靶物质作用过程中所引发的凝胶折射率、体积(高度)、晶格尺寸或形状的改变，已应用于对重金属离子、葡萄糖、肿瘤标志物和靶核酸序列等生物分子的检测。如前所述，水在THz波段吸收强烈，THz光谱对物质水含量变化高度敏感，具备对凝胶溶胀响应过程中水含量变化及内部弱相互作用力重构趋势进行无标记、高灵敏检测的独特优势。更为重要的是，通过THz超材料技术的局域电场增强的高灵敏传感特性可无标记检测响应性水凝胶与靶分子溶液的特征反应变化，有效解决THz液相传感所面临的特异度匮乏问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法，先对太赫兹超材料芯片的基底进行预处理以引入有机改性基团，然后在预处理的太赫兹超材料芯片表面涂覆预聚物单体溶液，形成预聚物薄膜，最后经聚合反应实现太赫兹超材料芯片的水凝胶功能化；其中，所述的有机改性基团与预聚物单体溶液中的预聚物单体发生交联反应，实现在太赫兹超材料芯片表面聚合。作为优选的技术方案之一，所述太赫兹超材料芯片以硅或石英作为基底，在其表面光刻加工形成周期性亚波长金属结构。作为进一步优选的技术方案之一，亚波长金属结构的形状选自单开口谐振环、十字交叉形或圆环形中的任一种，金属结构的材质选自银、铜、铝或镍中的任一种。所构建太赫兹超材料芯片的传感原理可以为基于电容电感耦合共振模型、超强光透射原理等，通过THz超材料的谐振峰的变化对表面物质介电特性改变进行表征。作为优选的技术方案之一，太赫兹超材料芯片先进行清洗处理，具体工艺条件为：真空度0.2mBar，工作功率80W，氧气流量280sccm，清洗时间为10分钟。作为进一步优选的技术方案之一，清洗结束后将太赫兹超材料芯片立即转移至超纯水中浸泡20分钟，并氮气吹干。作为优选的技术方案之一，太赫兹超材料芯片的预处理方法如下：将清洗处理后的太赫兹超材料芯片置于有机硅试剂的溶液中浸泡处理12小时，并使用顺丁烯二酸酐在超材料表面接枝上有反应活性的碳碳双键，可以与水凝胶预聚物单体产生交联反应以启动太赫兹超材料芯片表面聚合反应并实现紧密固定。作为进一步优选的技术方案之一，利用太赫兹超材料芯片的基底与有机硅试剂反应引入活性官能团，所述的活性官能团包括氨基、羧基或丙烯酸基，所述有机硅试剂选自3-氨基丙基三乙氧基硅烷(3-APS)、3-缩水甘油氧丙基三甲氧基硅烷(GOPS)、对氨基苯基三甲氧基硅烷(APTMS)或3-(甲基丙烯酰氧)丙基三甲氧基硅烷(MPMS)。作为优选的技术方案之一，太赫兹超材料芯片的预处理方法如下：先将清洗处理后的太赫兹超材料芯片置于体积比1：9的3-氨基丙基三乙氧基硅烷和甲苯的混合溶液中浸泡12小时，使用无水乙醇冲洗并用氮气吹干；然后将太赫兹超材料芯片浸泡于使用二甲基甲酰胺配置的含质量浓度3％顺丁烯二酸酐的混合溶液中24小时，并使用丙酮、无水乙醇冲洗及氮气吹干，完成太赫兹超材料芯片的预处理。作为优选的技术方案之一，所述预聚物单体溶液包括：主聚物、交联剂、诱发剂以及可修饰在凝胶网络中并与靶分子作用的敏感单体。其中主聚物与交联剂组合包括但不局限于丙烯酰胺与N,N'-亚甲基双丙烯酰胺，2-羟基乙基甲基丙烯酸酯与乙二醇二甲基丙烯酸酯，N-(2-羟乙基)丙烯酰胺与四(乙二醇)二丙烯酸酯等，其特征为可在水溶液中形成亲水但不溶解的网状聚合物并可在凝胶网络链中修饰敏感单体，浓度组分可根据具体实施场景优化，但主聚物浓度应高于交联剂浓度；诱发剂组合包括但不限于光引发剂651、光引发剂2100、光引发剂2959及过硫酸铵(配合四甲基乙二胺使用)，其特征为产生自由基诱发单体聚合；敏感单体为可与靶分子结合的化合物。作为进一步优选的技术方案之一，所述诱发剂为光引发剂，利用紫外光引发聚合反应，副产物少，无污染、聚合过程可控、速度快、体系简单易操作。作为优选的技术方案之一，所述预聚物单体溶液以二甲基亚砜为溶剂，浓度为5mol/L，以质量百分数计，包含：敏感单体3-丙烯酰胺基苯硼酸20％，主聚物丙烯酰胺75.4％，交联剂N,N'-亚甲基双丙烯酰胺2.6％，光引发剂6512％。作为优选的技术方案之一，利用旋转涂膜法(匀胶机)实现预聚物单体溶液的涂覆，具体工艺条件是：500rpm作用5秒，2000rpm作用40秒。作为优选的技术方案之一，聚合反应的具体方法为：将表面形成预聚物薄膜的太赫兹超材料芯片放入充满氮气保护的波长365nm紫外灯下，聚合反应30分钟。作为进一步优选的技术方案之一，聚合反应结束后，利用无水乙醇轻柔冲洗太赫兹超材料芯片表面，然后放入PBS缓冲液(其中NaCl136.89mM,KCl2.67mM,Na2HPO48.1mM,KH2PO41.76mM，PH为7.4)中浸泡12小时以达到平衡状态，形成10～12μm的水凝胶膜(白光本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法，其特征在于，先对太赫兹超材料芯片的基底进行预处理以引入有机改性基团，然后在预处理的太赫兹超材料芯片表面涂覆预聚物单体溶液，形成预聚物薄膜，最后经聚合反应实现太赫兹超材料芯片的水凝胶功能化；其中，所述的有机改性基团与预聚物单体溶液中的预聚物单体发生交联反应，实现在太赫兹超材料芯片表面聚合。

【技术特征摘要】
1.一种太赫兹超材料芯片水凝胶功能化方法，其特征在于，先对太赫兹超材料芯片的基底进行预处理以引入有机改性基团，然后在预处理的太赫兹超材料芯片表面涂覆预聚物单体溶液，形成预聚物薄膜，最后经聚合反应实现太赫兹超材料芯片的水凝胶功能化；其中，所述的有机改性基团与预聚物单体溶液中的预聚物单体发生交联反应，实现在太赫兹超材料芯片表面聚合。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述太赫兹超材料芯片以硅或石英作为基底，在其表面光刻加工形成周期性亚波长金属结构。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，太赫兹超材料芯片的预处理方法如下：将清洗处理后的太赫兹超材料芯片置于有机硅试剂的溶液中浸泡处理12小时，并使用顺丁烯二酸酐在超材料表面接枝上有反应活性的碳碳双键。4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，利用太赫兹超材料芯...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵祥，府伟灵，王云霞，张立群，王雪梅，周杰，熊瑜，
申请(专利权)人：中国人民解放军陆军军医大学第一附属医院，
类型：发明
国别省市：重庆,50