一種可視化光子晶體傳感器制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及了一種基于化學(xué)反應(yīng)的光子晶體傳感器制備方法，特別是涉及到一種基于硼酸基團(tuán)識(shí)別葡萄糖等糖類的光子晶體檢測技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]葡萄糖(化學(xué)式C6H1206)又稱為玉米葡糖、玉蜀黍糖，甚至簡稱為葡糖，是自然界分布最廣且最為重要的一種單糖，它是一種多羥基醛。純凈的葡萄糖為無色晶體，有甜味但甜味不如蔗糖，易溶于水，微溶于乙醇，不溶于乙醚。水溶液旋光向右，故亦稱“右旋糖”。葡萄糖在生物學(xué)領(lǐng)域具有重要地位，是活細(xì)胞的能量來源和新陳代謝中間產(chǎn)物，即生物的主要供能物質(zhì)。它的氧化反應(yīng)放出的熱量是人類生命活動(dòng)所需能量的重要來源。植物可通過光合作用產(chǎn)生葡萄糖。在糖果制造業(yè)和醫(yī)藥領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。比如:葡萄糖在醫(yī)學(xué)上主要用作注射用營養(yǎng)劑(葡萄糖注射液)；食品工業(yè)上葡萄糖經(jīng)異構(gòu)酶處理后可制造果糖，尤其是含果糖42%的果葡糖漿，其甜度同蔗糖，已成為當(dāng)前制糖工業(yè)的重要產(chǎn)品。葡萄糖具有很多的功能與用處，但有時(shí)也需要對葡萄糖進(jìn)行檢測。在食品行業(yè)中，一些不法分子利用糖精等物質(zhì)作為甜味劑，來代替食品中的糖類物質(zhì)(特別是葡萄糖、果糖、蔗糖)，從而賦予食品甜味。因此對果脯、飲料和糖果等食品也需要進(jìn)行葡萄糖等糖類的檢測。同時(shí)醫(yī)學(xué)上為了能快速鑒定和確診是否患有糖尿病、低血糖、胰島素休克等，也需要通過檢測患者血糖、尿液等的葡糖糖含量，從而進(jìn)行確診。因此，在食品和醫(yī)學(xué)上建立快速有效準(zhǔn)確的葡萄糖檢測技術(shù)是十分迫切并且具有重要意義的。
[0003]目前葡萄糖的檢測方法主要有高效液相色譜法、分光光度法、旋光度法、生物傳感器法、氣相色譜法等。在這些方法中，高效液相色譜法，氣相色譜法、高效陰離子交換色譜-脈沖安培檢測法的靈敏度高，但設(shè)備昂貴，檢測成本高，樣品處理方法繁雜，不利于快速有效的檢測；采用分光光度法分析需加入顯色劑，并且靈敏度精準(zhǔn)性不佳；鑒于葡萄糖結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，旋光度法只適宜作為一種輔助的檢測方法；生物傳感器法具有線性檢測范圍寬、靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，且成本較低，有很好的應(yīng)用前景。目前，光子晶體技術(shù)在傳感器中的研究充分展現(xiàn)其優(yōu)勢:無需標(biāo)記，通過顏色變化的自表達(dá)特性，檢測方法快速、靈敏，這為其開發(fā)成一類現(xiàn)場快速檢測技術(shù)提供了必要條件。光子晶體由于其三維有序特性產(chǎn)生的布拉格衍射峰提供的直接可讀的光信號(hào)，因此可以選擇作為傳感器的傳感元件。但是利用這種方法設(shè)計(jì)對特定目標(biāo)具有傳感性能的材料時(shí)，必須尋找一些特殊的識(shí)別單元，如:冠醚對金屬離子的識(shí)別，苯硼酸對葡萄糖的識(shí)別，抗體對抗原的識(shí)別，絡(luò)合物化學(xué)反應(yīng)或是與分子印跡技術(shù)相結(jié)合等，通過將這些識(shí)別元件與光子晶體技術(shù)這個(gè)傳感元件相結(jié)合可以制備高效、快速、靈敏、直觀的傳感器檢測方法。為了達(dá)到現(xiàn)場快速有效準(zhǔn)確的檢測葡萄糖分子，通過建立將苯硼酸基團(tuán)連接到構(gòu)成光子晶體的納米微球上的制備方法，建立葡萄糖與苯硼酸在弱堿性條件下識(shí)別反應(yīng)的光子晶體快速可視化檢測技術(shù)，在此基礎(chǔ)上構(gòu)建了檢測葡萄糖的光子晶體傳感器及其檢測方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種光子晶體傳感方法用于檢測葡萄糖。
[0005]本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種聚合了苯硼酸基團(tuán)(識(shí)別基團(tuán))的納米微球制備方法及其制備成可檢測葡萄糖的光子晶體的方法。
[0006]本發(fā)明的技術(shù)方案概述如下:
[0007]—種用于葡萄糖快速檢測的光子晶體制備方法具體步驟如下:
[0008](I)將共同功能單體與引發(fā)劑通過利用懸浮聚合法(80°C下反應(yīng)45min，轉(zhuǎn)速370rpm)制備帶有識(shí)別基團(tuán)的納米微球，通過調(diào)節(jié)其共同單體的比例，來控制單分散納米微球的制備。通過傅里葉紅外掃描、X-射線光電子能譜技術(shù)來確認(rèn)基團(tuán)的連接與否。
[0009](2)將步驟(I)中帶有識(shí)別基團(tuán)的單分散納米微球通過垂直沉降自組裝法制備用于葡萄糖檢測的光子晶體。將該光子晶體通過掃描電鏡確定其結(jié)構(gòu)及微球粒徑。在光纖光譜儀(Maya2000pro, Ocean Optics,美國)下,通過該光子晶體上的苯硼酸基團(tuán)在弱堿性的溶液中識(shí)別葡萄糖。
[0010]所述共同功能單體優(yōu)選為甲基丙烯酸甲酯、異丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸。
[0011]所述引發(fā)劑優(yōu)選為過硫酸鉀。
[0012]一種基于苯硼酸作為識(shí)別元件的光子晶體傳感器檢測葡萄糖的方法，具體步驟如下:
[0013](I)配置系列濃度的葡萄糖溶液，通過光纖光譜儀對所制備的光子晶體傳感器進(jìn)行結(jié)合響應(yīng)測試，繪制葡萄糖濃度與反射峰信號(hào)響應(yīng)圖，獲得檢測范圍。
[0014](2)配置系列濃度的葡萄糖溶液，通過光纖光譜儀對未連接苯硼酸基團(tuán)識(shí)別元件的光子晶體進(jìn)行葡萄糖的結(jié)合響應(yīng)測試，繪制葡萄糖濃度與反射峰信號(hào)響應(yīng)圖，獲得檢測范圍。
[0015](3)利用數(shù)碼相機(jī)對連接有苯硼酸基團(tuán)識(shí)別元件的光子晶體進(jìn)行識(shí)別葡萄糖的顏色變化響應(yīng)進(jìn)行拍照。
【附圖說明】
[0016]圖1具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體制備原理圖和制備過程圖。
[0017]圖2具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體傅里葉紅外掃描譜圖。
[0018]809.33和709.17nm處同時(shí)出現(xiàn)峰位置說明具有有苯環(huán)的鍵位存在，1600_1450nm
有多個(gè)峰說明具有苯環(huán)上的雙鍵存在，這兩處位置說明有3-丙烯酰胺基苯硼酸；1656.9Inm處的酰胺鍵基團(tuán)說明有異丙基丙烯酰胺。
[0019]圖3具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體X-射線光電子能譜圖。
[0020]碳元素Cls結(jié)合能284.80eV說明具有C-C鍵、結(jié)合能288.43eV說明具有O-C=O鍵；氧元素Ols結(jié)合能531.61eV說明具有C=O鍵、結(jié)合能533.43eV說明具有-OH鍵；氮元素Nls結(jié)合能399.56eV說明具有N ;硼元素Bls結(jié)合能194.25eV說明具有B。
[0021]圖4具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體掃描電鏡圖。
[0022]微球直徑為210nm，結(jié)構(gòu)高度有序，微球形似正六邊形，高度均一。
[0023]圖5具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體對葡萄糖結(jié)合響應(yīng)測試結(jié)果圖。
[0024]葡萄糖檢測響應(yīng)范圍為l_12、15、20m mo I / L，反射峰隨著葡萄糖濃度的增加逐漸的發(fā)生紅移，紅移達(dá)到75nm,并且伴隨著峰強(qiáng)下降,下降166a.u.。
[0025]圖6未有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體對葡萄糖結(jié)合響應(yīng)測試結(jié)果圖。
[0026]葡萄糖檢測響應(yīng)范圍為l_12、15、20m mo I / L，反射峰不隨著葡萄糖濃度的變化而變化，有略微的峰強(qiáng)下降，下降6a.u.。
[0027]圖7具有苯硼酸基團(tuán)的光子晶體對葡萄糖結(jié)合響應(yīng)顏色變化對比圖。
[0028]左圖為光子晶體檢測前色澤(藍(lán)紫色)圖片，右圖為檢測葡萄糖后光子晶體的最終顏色(綠色)。
【具體實(shí)施方式】
[0029]實(shí)施方式一:苯硼酸基團(tuán)光子晶體的制備
[0030]苯硼酸基團(tuán)光子晶體制備:(I) 一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合后同60mg引發(fā)劑在80°C,370rpm下進(jìn)行懸浮聚合45min,形成單分散的納米微球。
[0031](2) 一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合(功能單體甲基丙烯酸甲酯為3ml，異丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸共同功能單體與其成一定比例)、引發(fā)劑溶于1.5ml雙蒸水中，反應(yīng)在27ml的雙蒸水中進(jìn)行。
[0032](3)通過重力離心法進(jìn)行均一粒徑的篩選，棄上清和沉淀，收集乳液，計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，配制一定濃度的單分散納米微球乳液。
[0033](4)在30°C，40%的濕度下通過垂直沉降自組裝法進(jìn)行光子晶體的制備。
[0034]無苯硼酸基團(tuán)光子晶體制備:⑴一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合后同60mg引發(fā)劑在80°C,370rpm下進(jìn)行懸浮聚合45min,形成單分散的納米微球。
[0035](2) 一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合(功能單體甲基丙烯酸甲酯為3ml，異丙基丙烯酰胺共同功能單體與其成一定比例)、引發(fā)劑溶于1.5ml雙蒸水中，反應(yīng)在27ml的雙蒸水中進(jìn)行。
[0036](3)通過重力離心法進(jìn)行均一粒徑的篩選，棄上清和沉淀，收集乳液，計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，配制一定濃度的單分散納米微球乳液。
[0037](4)在30°C，40%的濕度下通過垂直沉降自組裝法進(jìn)行光子晶體的制備。
[0038]光子晶體表征及結(jié)構(gòu)色檢測:(I)將制備好的單分散納米微球60°C下烘干，進(jìn)行傅里葉紅外掃描和X-射線光電子能譜測定，確定含有元素和鍵合結(jié)果(圖2、圖3)。
[0039](2)利用掃描電鏡將制備好的光子晶體進(jìn)行拍照，觀測有序結(jié)構(gòu)和微球粒徑(圖4)。
[0040]實(shí)施方式二:基于苯硼酸基團(tuán)同葡萄糖識(shí)別的光子晶體傳感器檢測葡萄糖
[0041](I)將制備好的光子晶體放于弱堿性條件下(pH=8的CHES Buffer)，待光纖光譜儀穩(wěn)定后，記錄檢測基線。
[0042](2)配制K 5m mo I / L的葡萄糖溶液，從低濃度到高濃度(1-12,15,20m mo I /L)進(jìn)行葡萄糖的檢測，每次加樣后，等待l_3min，待其穩(wěn)定后，記錄檢測響應(yīng)數(shù)值(圖5、圖6)。
[0043](3)通過數(shù)碼相機(jī)(Cannon，日本)記錄光子晶體檢測前、后結(jié)構(gòu)色的變化(圖7)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于檢測葡萄糖檢測的光子晶體傳感方法，該方法是基于苯硼酸基團(tuán)對葡萄糖的識(shí)別。
2.所述光子晶體制備方法，其特征由以下步驟組成: (1)一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合后同60mg引發(fā)劑在80°C，370rpm下進(jìn)行懸浮聚合45min,形成單分散的納米微球。 (2)一定比例的共同功能單體進(jìn)行混合(功能單體甲基丙烯酸甲酯為3ml，異丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸共同功能單體與其成一定比例)、引發(fā)劑溶于1.5ml雙蒸水中，反應(yīng)在27ml的雙蒸水中進(jìn)行。 (3)通過重力離心法進(jìn)行均一粒徑的篩選，棄上清和沉淀，收集乳液，計(jì)算其質(zhì)量分?jǐn)?shù)，配制一定濃度的單分散納米微球乳液。 (4)在30°C，40%的濕度下通過垂直沉降自組裝法進(jìn)行光子晶體的制備。
3.所述共同功能單體優(yōu)選為甲基丙烯酸甲酯、異丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸。
4.所述引發(fā)劑優(yōu)選為過硫酸鉀。
【專利摘要】本發(fā)明公開一種快速檢測葡萄糖的方法，屬于檢測技術(shù)領(lǐng)域，本發(fā)明利用懸浮聚合法制備具有苯硼酸基團(tuán)識(shí)別元件的單分散納米微球，將具該納米微球經(jīng)過垂直沉降自組裝法制備為光子晶體，該光子晶體基于其上的識(shí)別元件苯硼酸基團(tuán)同檢測物葡萄糖進(jìn)行結(jié)合后，導(dǎo)致光子晶體的晶格參數(shù)變化，最終導(dǎo)致結(jié)構(gòu)色澤發(fā)生改變，從而建立現(xiàn)場快速可視化檢測葡萄糖的光子晶體傳感器檢測方法。該方法具有良好的靈敏性、快速響應(yīng)性和直觀可視性。懸浮聚合法制備具有識(shí)別元件的光子晶體納米微球、垂直沉降自組裝法制備光子晶體都顯著降低了檢測成本，其制備方法簡易，傳感器的存儲(chǔ)性、穩(wěn)定性、可視化性在食品業(yè)和醫(yī)學(xué)業(yè)中的葡萄糖檢測應(yīng)用中具有很大的潛力。
【IPC分類】G01N21-75, B82Y15-00, G01N21-25
【公開號(hào)】CN104634743
【申請?zhí)枴緾N201310581377
【發(fā)明人】高志賢, 寧保安, 洪小迪, 彭媛, 白家磊
【申請人】中國人民解放軍軍事醫(yī)學(xué)科學(xué)院衛(wèi)生學(xué)環(huán)境醫(yī)學(xué)研究所
【公開日】2015年5月20日
【申請日】2013年11月14日