專利名稱：一種結合旋涂法和afm技術的超薄生物薄膜的制備方法
技術領域：
本發明涉及生物薄膜制備領域，特別是指一種生物薄膜的制備方法。
背景技術：
現有技術在制備生物薄膜時，通常采用旋涂法。旋涂法是在高速旋轉的基底上噴射溶液，借助離心力將液體鋪展在基底上，并通過調節旋轉速度和時間來調節薄膜厚度和均勻度，旋轉速度越高制備的膜越薄。發明人在實現本發明的過程中，發現現有技術至少存在以下缺點利用旋涂法制備生物薄膜時，在保證薄膜均勻性的前提下高速旋轉基底會導致薄膜的不連續性，并且旋涂法制備的薄膜厚度一般在120-200nm，不能制備更小厚度的生物薄膜。
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種生物薄膜的制備方法，能夠制備超薄生物薄膜，并且保證生物薄膜的均勻性。為解決上述技術問題，本發明的實施例提供技術方案如下一方面，提供一種生物薄膜的制備方法，包括利用旋涂法將生物分子溶液涂覆在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制所述生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內；通過原子力顯微鏡對所述附有生物分子溶液的基底進行原位掃描；控制原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力，經過多次循環掃描使所述生物分子溶液鋪展在基底表面形成生物薄膜。其中，所述控制原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力包括
通過調整所述原子力顯微鏡的掃描參數，使原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力為原子力顯微鏡分子成像所需作用力的兩倍。其中，所述生物分子溶液為殼聚糖溶液，所述殼聚糖溶液的濃度為lmg/ml lOmg/mL。其中，所述利用旋涂法將生物分子溶液涂覆在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制所述生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內包括利用旋涂法以500轉/每分鐘的轉速、30 60秒的旋轉時間將殼聚糖溶液涂覆在基底表面，使所述殼聚糖溶液在基底上的高度為2. 5nm，覆蓋率為80%。其中，所述原子力顯微鏡的掃描速度為1HZ。其中，在所述原子力顯微鏡針尖與所述殼聚糖溶液之間的作用力為5 IOnN時，得到的殼聚糖薄膜的厚度為2. I 3. 7nm。其中，所述基底為親水性基底。其中，所述基底為云母。本發明的實施例具有以下有益效果
上述方案中，首先通過旋涂法將生物分子溶液分散在基底表面，然后對附有生物分子液滴的基底進行原子力顯微鏡原位掃描。于此同時，控制原子力顯微鏡針尖與生物分子液滴的相互作用力使液滴鋪展在基底表面，并且通過調節作用力的大小和涂覆在基底的生物分子液滴的量來調控薄膜的厚度，經過多次掃描得到均勻的超薄生物薄膜，突破了旋涂法制備生物薄膜的厚度極限。
圖I為本發明實施例的生物薄膜的制備方法流程示意圖；圖2為本發明實施例殼聚糖的結構式示意圖；圖3為本發明實施例的殼聚糖薄膜的制備流程示意圖。
具體實施方式
為使本發明的實施例要解決的技術問題、技術方案和優點更加清楚，下面將結合附圖及具體實施例進行詳細描述。本發明的實施例針對現有技術中利用旋涂法制備生物薄膜時，制備的生物薄膜存在不連續性以及厚度極限的問題，提供一種生物薄膜的制備方法，能夠制備超薄生物薄膜，并且保證生物薄膜的均勻性。原子力顯微鏡(Atomic Force Microscope, AFM)是一種高分辨的掃描探針顯微鏡，它是根據掃描隧道顯微鏡的原理設計的高速拍攝三維圖像的顯微鏡，通常包括探針、電子控制系統、計算器處理系統及光電檢測系統四個子系統。在掃描過程中，AFM可以很精確地探測針尖和樣品表面力的大小并調整參數來監測被測樣品的形貌特征，亦可通過原位掃描的方法觀察大分子在體外的活動變化。本發明利用原子力顯微鏡的針尖，通過控制原子力顯微鏡針尖與生物分子液滴的相互作用力使液滴鋪展在基底表面，并且通過調節作用力的大小基底上液滴的量來調控薄膜的厚度，經過多次掃描得到均勻的超薄生物薄膜。圖I為本發明實施例的生物薄膜的制備方法流程示意圖，如圖I所示，本實施例包括步驟101 :用旋涂法將生物分子溶液涂覆在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內；步驟102 :通過原子力顯微鏡對附有生物分子溶液的基底進行原位掃描；步驟103 :控制原子力顯微鏡針尖與生物分子溶液之間的作用力，經過多次循環掃描使生物分子溶液鋪展在基底表面形成生物薄膜。具體地，可以通過調整原子力顯微鏡的掃描參數，使原子力顯微鏡針尖與殼聚糖納米顆粒之間的作用力為原子力顯微鏡分子成像所需作用力的兩倍，增大原子力顯微鏡針尖與樣品的作用力可以有以下幾種方法改變驅動力大小使懸臂振幅增大，減小針尖與樣品之間的距離，使其小于正常成像時的針尖與樣品的距離，或者通過減小壓電陶瓷的靈敏度來增大針尖與樣品的作用力。本實施例的生物薄膜的制備方法，首先通過旋涂法將生物分子溶液分散在基底表面，然后對附有生物分子液滴的基底進行原子力顯微鏡原位掃描。于此同時，控制原子力顯微鏡針尖與生物分子液滴的相互作用力使液滴鋪展在基底表面，并且通過調節作用力的大小來調控薄膜的厚度，經過多次掃描得到均勻的超薄生物薄膜，突破了旋涂法制備生物薄膜的厚度極限。下面以制備超薄殼聚糖薄膜為例，具體說明本發明生物薄膜的制備方法的步驟一、環境要求在制備超薄殼聚糖薄膜時，整個過 程必須在室溫下，濕度約60%的穩定環境下進行。殼聚糖顆粒的粘性受溫度和濕度影響非常大，如果環境或者溫度突然變化，殼聚糖顆粒的粘性將急劇變化，最終導致殼聚糖薄膜在掃描過程中凸起并破裂。除此之外，一般情況下殼聚糖薄膜在大氣環境中都會覆蓋有一層水膜，這樣導致AFM掃描過程中針尖和殼聚糖溶液間有較小的毛細現象，不利于殼聚糖薄膜的形成，因此，保持潮濕環境有利于AFM針尖將殼聚糖分子鋪展至基底上從而形成超薄薄膜。二、基底的選擇基底分為親水性和疏水性兩種，親水性基底比疏水基底有更高的浸潤性，而薄膜的制備需要浸潤性較好的基底。由于云母具有較高的親水性，并且云母的正電性有助于帶正電的殼聚糖納米顆粒擴展更為充分，因此，在殼聚糖薄膜的制備過程中可以選擇云母作為基底。三、殼聚糖溶液殼聚糖的溶解性受其鏈長的影響，為了使殼聚糖更好的溶解，可以通過酸裂解方法縮短碳水化合物的長度。另外為了使殼聚糖納米顆粒不受溫度和濕度波動的影響，可選用聚合的殼聚糖作為溶質。本實施例中，可以準備100微升的充分溶解的殼聚糖溶液，殼聚糖溶液的濃度為lmg/ml 10mg/mL,其結構式如圖2所示。四、殼聚糖納米顆粒的制備在室溫下，利用旋涂法以500轉/每分鐘的轉速、30 60秒的旋轉時間將殼聚糖溶液涂覆在云母表面得到殼聚糖納米顆粒，如圖3步驟I 2所示。由于殼聚糖納米液滴其較高的粘性和和穩定性，此時的薄膜是非連續的，一般采用旋涂法制備的納米顆粒的高度不超過5nm，本實施例中得到的納米顆粒的高度約為2. 5nm，納米顆粒的直徑大小為93. 3±36. 8nm。雖然通過增加基底上殼聚糖液滴的量可以制得較連續的薄膜，但這不僅增加了薄膜的厚度也增加了 AFM制備薄膜的難度，因此本發明的技術方案需要將殼聚糖液滴在基底上的高度和覆蓋率控制在預設范圍內，本實施例中最佳覆蓋率為80%。五、AFM掃描過程如圖3步驟2所示，用AFM對吸附有殼聚糖納米顆粒的云母進行原位掃描，AFM掃描的次數越多，形成的薄膜越致密。具體地，本實施例中，AFM的掃描速度可以為1HZ，掃描的循環次數可以為20次，掃描為面掃描，每次循環掃描的掃描面積相等，掃描中心一致。在掃描過程中，通過改變AFM針尖與殼聚糖納米顆粒之間作用力的大小可以精確控制制備薄膜的厚度。具體可以通過以下公式來調整AFM針尖與殼聚糖納米顆粒之間作用力的大小AFM懸臂的振動公式為
IYl(X)= ~kz+ ^+ ^o cos^其中，Q、k和Otl分別是質量因素、彈性系數，自由振動的角共振頻率，F0和ω分別是振幅和外力驅動的角頻率，Fts為針尖與樣品作用力大小。
其中z(zc,t) = Z0 (zc)+A (zc) cos [ω -Φ (zc)],z0, A和Φ分別是懸臂平均偏移量，振幅和振動相位偏移量，Zc為不受外力時針尖和樣品的距離。上述參數中，m, Q, k、coQ、FQ、ω、Ζ(Ι、Α和Φ是已知參數,通過上述公式對AFM的各項參數進行設置，就可以實現調整針尖與樣品之間的作用力Fts。具體地，在AFM針尖與殼聚糖納米顆粒的作用力控制在5 IOnN時可以將殼聚糖納米顆粒轉變為均勻薄膜。隨著循環掃描次數的增多，納米殼聚糖在基底的覆蓋率逐漸增力口，最終，在循環掃描20次之后，如圖3步驟3所示，能夠制備出厚度在2. 9±0. 8nm之間的均勻的超薄殼聚糖薄膜。上述步驟說明了制備超薄殼聚糖薄膜的過程，上述方法同樣適用于糖類分子溶液，包括黃原膠等。
本發明實施例中，首先制備出非連續薄膜，使基底上生物分子溶液的高度和覆蓋率處于預設范圍內，之后利用AFM技術，精確控制AFM針尖與樣品相互作用力，經多次循環掃描從而得到厚度較小的生物薄膜；利用本發明制備的生物薄膜具有較小的厚度偏差，并且利用AFM進行原位掃描，還可以觀測到生物分子溶液在基底表面由顆粒到薄膜轉變過程，從而實時監控薄膜制備的整個過程。以上所述是本發明的優選實施方式，應當指出，對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明所述原理的前提下，還可以作出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
權利要求
1.一種生物薄膜的制備方法，其特征在于，包括 利用旋涂法將生物分子溶液噴射在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制所述生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內； 通過原子力顯微鏡對所述附有生物分子溶液的基底進行原位掃描； 控制原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力，經過多次循環掃描使所述生物分子溶液鋪展在基底表面形成生物薄膜。
2.根據權利要求I所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述控制原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力包括 通過調整所述原子力顯微鏡的掃描參數，使原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力為原子力顯微鏡分子成像所需作用力的兩倍。
3.根據權利要求I所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述生物分溶液為殼聚糖溶液，所述殼聚糖溶液的濃度為lmg/ml 10mg/mL。
4.根據權利要求3所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述利用旋涂法將生物分子溶液噴射在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制所述生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內包括 利用旋涂法以500轉/每分鐘的轉速、30 60秒的旋轉時間將殼聚糖溶液涂覆在基底表面，使所述殼聚糖溶液在基底上的高度為2. 5nm，覆蓋率為80%。
5.根據權利要求4所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述原子力顯微鏡的掃描速度為1HZ。
6.根據權利要求5所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，在所述原子力顯微鏡針尖與所述殼聚糖溶液之間的作用力為5 IOnN時，得到的殼聚糖薄膜的厚度為2. I 3.7nm。
7.根據權利要求I所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述基底為親水性基底。
8.根據權利要求7所述的生物薄膜的制備方法，其特征在于，所述基底為云母。
全文摘要
本發明提供一種生物薄膜的制備方法，屬于生物薄膜制備領域。其中，該生物薄膜的制備方法包括利用旋涂法將生物分子溶液噴射在基底上，調整基底的旋轉速度和噴射生物分子溶液的時間，以控制涂覆在基底上所述生物分子溶液的高度和覆蓋率在預設范圍內；通過原子力顯微鏡對所述附有生物分子溶液的基底進行原位掃描；控制原子力顯微鏡針尖與所述生物分子溶液之間的作用力，經過多次原位掃描使所述生物分子溶液鋪展在基底表面形成生物薄膜。本發明實施例的生物薄膜的制備方法，能夠制備超薄生物薄膜，并且保證生物薄膜的均勻性。本發明的技術方案適用于生物薄膜的制備中。
文檔編號C08J5/18GK102836804SQ20111016553
公開日2012年12月26日 申請日期2011年6月20日 優先權日2011年6月20日
發明者梁浩, 劉波, 趙慧玲, 張帥, 李銀麗, 董明東 申請人:河南大學