CN112683879A - 聚合物基多元表面增强拉曼检测基底及其制备方法与癌症诊断应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种聚合物基多元表面增强拉曼检测基底及其制备方法与癌症诊断应用，依次包括相互叠加设置的聚合物基材、树脂层、贵金属薄膜层、金属氧化物薄膜层和三维岛状超薄银膜；三维岛状超薄银膜中的岛状结构为分布均匀的纳米结构，银膜的厚度为1.5‑20nm。该柔性表面增强拉曼散射基底具有简便、灵敏度好高、一致性好、高通量的性能，可以用于实现癌症的早期诊断。
Description
技术领域
本发明属于生物检测技术领域，尤其是涉及一种聚合物基多元表面增强拉曼检测基底及其制备方法与癌症诊断应用。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
癌症作为一种恶性疾病，严重威胁人类的生命健康安全。近年来患癌症的人数和患癌死亡的人数逐年增多。癌症如果在早期阶段发现，通过有效的治疗手段可以大大提升人类的存活率，但是由于癌症早期无明显症状，且目前的检测手段复杂，因此病人一经诊断即为中晚期。因此实现早期的癌症识别诊断至关重要。
外泌体指包含了遗传物质和蛋白质的小膜泡，直径约为40-100nm。外泌体天生存在于体液中，包括血液、唾液、尿液和乳汁中，并参与细胞间的通讯。其中癌症病人病变位置的细胞组织分泌的外泌体与正常人分泌的外泌体在组成成分上有所不同，因此可以通过比较外泌体的不同来进行癌症诊断。
表面增强拉曼散射(SERS)技术是一种信息量大、无标记的检测技术，而且对特定的物质有独特的指纹峰，并且可以将信号强度放大107以上，一致性好、灵敏度高的SERS基底来检测外泌体，可以实现对癌症的早期诊断。
现有技术中通过制备磁性捕获基底-外泌体-拉曼探针形成三明治结构，然后外加磁场分离三明治结构，进行SERS检测。该种三明治结构的制备过程复杂，且需要使用拉曼探针分子，可能存在非特异性结合的情况，且采用外加磁场分离，一致性较差。还有的技术制备了反蛋白石结构，并在基底表面镀金，最后滴加外泌体溶液进行检测。该种技术的结构制备复杂，需要掩膜，成本较高，且需要通过蒸镀金膜实现增强，灵敏度一般，不能较好地区分外泌体复杂的光谱。
发明内容
针对上述现有技术中存在的不足，本发明的目的是提供一种聚合物基多元表面增强拉曼检测基底及其制备方法与癌症诊断应用。该柔性表面增强拉曼散射基底具有简便、灵敏度好高、一致性好、高通量的性能，可以用于实现癌症的早期诊断。
为了解决以上技术问题，本发明采用如下技术方案：
第一方面，本发明提供一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，其依次包括相互叠加设置的聚合物基材、树脂层、贵金属薄膜层、金属氧化物薄膜层和三维岛状超薄银膜；
三维岛状超薄银膜中的岛状结构为分布均匀的纳米结构，银膜的厚度为1.5-20nm。
第二方面，本发明提供所述聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的制备方法，包括如下步骤：
在聚合物基材上滴加树脂，形成树脂层，将模具辊上的图案转移到树脂上，并光照固化；
在树脂层的图案结构上蒸镀一层贵金属薄膜，使其金属化；
在贵金属薄膜上面蒸镀金属氧化物薄膜；
最后在金属氧化物薄膜表面离子溅射沉积三维岛状超薄银膜，即可得到聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底。
第三方面，本发明提供所述聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底在早期癌症识别诊断中的应用。
与现有技术相比，本发明的以上一个或多个实施例的有益效果为：
本发明通过卷对卷紫外压印技术获得大面积一致的纳米结构阵列，制备简便，效率较高；贵金属薄膜使聚合物基材金属化，并实现了较好的拉曼增强效果，金属氧合物薄膜起化学增强的作用，三维岛状超薄银膜起电场增强的作用，多级结构之间相互耦合，极大的提升了基底的灵敏度；通过多级结构的增强作用，纳米结构阵列对外泌体的限位作用，外泌体在癌症病人和正常人中表达不同，因此该聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底具有灵敏度高、一致性好等优点，且能实现癌症的早期诊断。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明实施例1中的聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的剖视图；
图2为本发明实施例1中的聚合物基材上圆锥形纳米结构矩形阵列分布的顶视图；
图3为本发明实施例2中的聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的制备流程图。
图4为不同厚度的三维岛状超薄银膜的SEM图。
图中，110-聚合物基材；120-紫外固化树脂；130-贵金属薄膜；140-金属氧化物薄膜；150-三维岛状超薄银膜。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
第一方面，本发明提供一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，其依次包括相互叠加设置的聚合物基材、树脂层、贵金属薄膜层、金属氧化物薄膜层和三维岛状超薄银膜；
三维岛状超薄银膜中的岛状结构为分布均匀的纳米结构，银膜的厚度为1.5-20nm。银膜厚度过薄，呈现岛状结构，且彼此间隔较远，不容易形成热点，不利于电场增强；银膜厚度过厚，形成连续膜，阻碍金属氧化物薄膜与待测物直接接触，不利于化学增强的实现。
在一些实施例中，所述聚合物基材的材料为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)材料。
在一些实施例中，三维岛状超薄银膜中的岛状纳米结构呈矩形阵列分布在聚合物基材表面。
进一步的，岛状纳米结构之间的间距为20-1000nm。
进一步的，岛状纳米结构为圆锥型结构、柱型结构或金字塔结构。
三维岛状超薄银膜有序分布在金属氧化物薄膜上，起提高灵敏度的作用。
在一些实施例中，金属氧化物薄膜层的厚度为10-100nm。
进一步的，金属氧化物薄膜层的材质为氧化锌或二氧化钛。金属氧化物薄膜起化学增强作用。
在一些实施例中，贵金属薄膜层的厚度为10-100nm。
进一步的，贵金属薄膜层的材质为金或银。
金属薄膜使基材金属化。表面散射拉曼增强在贵金属表面有良好的增强效果，而聚合物本身不起增强作用，因此需要通过蒸镀一层贵金属使聚合物基材金属化实现增强。
在一些实施例中，树脂层的厚度为900-1200nm。
第二方面，本发明提供所述聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的制备方法，包括如下步骤：
在聚合物基材上滴加树脂，形成树脂层，将模具辊上的图案转移到树脂上，并光照固化；
在树脂层的图案结构上蒸镀一层贵金属薄膜，使其金属化；
在贵金属薄膜上面蒸镀金属氧化物薄膜；
最后在金属氧化物薄膜表面离子溅射沉积三维岛状超薄银膜，即可得到聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底。
在一些实施例中，将模具辊上的图案转移到树脂上的方法为卷对卷紫外压印。
进一步的，压印的速度为0.1-3m/min，压印压力为10-50kgf，压辊温度为10-200℃。
在一些实施例中，蒸镀金属氧化物薄膜的功率为15-50W，工作气压为0.5-1Pa。
在一些实施例中，离子溅射沉积三维岛状超薄银膜的工作气压为0.02Pa，离子束流为60-200mA。
第三方面，本发明提供所述聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底在早期癌症识别诊断中的应用。
实施例1
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的设计及其制备方法，如图1和图2所示，由聚合物基材110、紫外固化树脂120、贵金属薄膜130、金属氧化物薄膜140和三维岛状超薄银膜150构成。
实施例2
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底的制备过程如图3所示，通过卷对卷紫外压印技术、蒸镀技术、离子溅射沉积技术等工艺步骤获得聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底。具体采用以下步骤：在聚合物基材110(PET薄膜)表面采用卷对卷紫外压印技术将紫外固化树脂120制备成均匀的纳米结构阵列，采用蒸镀方法在树脂表面沉积一层贵金属薄膜130(银)，然后在贵金属薄膜表面再蒸镀一层金属氧化物薄膜140(氧化锌)，最后在金属氧化物薄膜表面用离子溅射方法沉积三维岛状超薄银膜，即可得到聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底。在卷对卷紫外压印过程中，压印速度为0.1-3m/min，压印压力为10-50kgf，压辊温度为10～200℃；在蒸镀工艺中，功率为15-50W，工作气压为0.5-1Pa；在离子溅射工艺中，工作气压为0.02Pa，离子束流为60-200mA。
实施例3
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，纳米结构阵列为圆锥形阵列，矩形阵列分布，直径为200nm，高度为500nm，间距为100nm；贵金属薄膜选取银材料，厚度为10nm；金属氧化物薄膜选取氧化锌材料，厚度为10nm；三维岛状超薄银膜厚度为3nm。
实施例4
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，银薄膜厚度为20nm。
实施例5
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，银薄膜厚度为30nm。
实施例6
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，氧化锌薄膜厚度为20nm。
实施例7
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，氧化锌薄膜厚度为30nm。
实施例8
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，三维岛状超薄银膜的厚度为4.5nm。
实施例9
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，三维岛状超薄银膜的厚度为6nm。
实施例10
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，三维岛状超薄银膜的厚度为9nm。
对比例1
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，无纳米结构阵列。
对比例2
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，无贵金属薄膜和三维岛状超薄银膜。
对比例3
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，无金属氧化物薄膜和三维岛状超薄银膜。
对比例4
一种聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底，与实施例3相比，不同之处在于，无三维岛状超薄银膜。
对不同基底进行拉曼测试，所有光谱取平均值，拉曼检测采用原位紫外激光共聚焦显微拉曼光谱仪(LabRAM HR Evolution)，选择激光波长为785nm，积分时间10s，激发功率1mW。首先对基底的增强性能进行验证，选取罗丹明6G(10-6M)作为探针分子，选取612cm-1处的峰强计算不同基底的增强性能和相对标准偏差。表1是实施例3-10、对比例1-3制备的聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底增强因子(EF)以及同一样品多点测试的相对标准偏差(RSD)统计表。最后选取增强最好的实施例9代表的基底，对血液中提纯的外泌体直接检测，并将所得光谱与标准光谱比较进行判别，从而判断待检人员是否患病。
表1聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底EF以及RSD统计表
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：其依次包括相互叠加设置的聚合物基材、树脂层、贵金属薄膜层、金属氧化物薄膜层和三维岛状超薄银膜；
三维岛状超薄银膜中的岛状结构为分布均匀的纳米结构，银膜的厚度为1.5-20nm。
2.根据权利要求1所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：所述聚合物基材的材料为PET材料。
3.根据权利要求1所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：三维岛状超薄银膜中的岛状纳米结构呈矩形阵列分布在聚合物基材表面；
进一步的，岛状纳米结构之间的间距为20-1000nm；
进一步的，岛状纳米结构为圆锥型结构、柱型结构或金字塔结构。
4.根据权利要求1所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：金属氧化物薄膜层的厚度为10-100nm；
进一步的，金属氧化物薄膜层的材质为氧化锌或二氧化钛。
5.根据权利要求1所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：贵金属薄膜层的厚度为10-100nm；
进一步的，贵金属薄膜层的材质为金或银。
6.根据权利要求1所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底，其特征在于：树脂层的厚度为900-1200nm。
7.权利要求1-6任一所述聚合物基多元表面增强拉曼检测基底的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
在聚合物基材上滴加树脂，形成树脂层，将模具辊上的图案转移到树脂上，并光照固化；
在树脂层的图案结构上蒸镀一层贵金属薄膜，使其金属化；
在贵金属薄膜上面蒸镀金属氧化物薄膜；
最后在金属氧化物薄膜表面离子溅射沉积三维岛状超薄银膜，即可得到聚合物基多元复合表面增强拉曼散射基底。
8.根据权利要求7所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底的制备方法，其特征在于：将模具辊上的图案转移到树脂上的方法为卷对卷紫外压印；
进一步的，压印的速度为0.1-3m/min，压印压力为10-50kgf，压辊温度为10-200℃。
9.根据权利要求7所述的聚合物基多元表面增强拉曼检测基底的制备方法，其特征在于：蒸镀金属氧化物薄膜的功率为15-50W，工作气压为0.5-1Pa；
在一些实施例中，离子溅射沉积三维岛状超薄银膜的工作气压为0.02Pa，离子束流为60-200mA。
10.权利要求1-6任一所述聚合物基多元表面增强拉曼检测基底在早期癌症识别诊断中的应用。
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