CN102353664A - 基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明属于微米/纳米结构的荧光化学传感器领域，特别涉及一种基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器及应用。本发明是先对基于化学刻蚀方法得到的锗的微米/纳米锥阵列进行表面等离子体处理，使其表面活化；然后再用对pH敏感的氨基荧光素化学共价修饰等离子体处理过的微米/纳米锥阵列表面，得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。本发明的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器可用于溶液及细胞内部的pH值的实时检测。
Description
技术领域
本发明属于微米/纳米结构的荧光化学传感器领域，特别涉及一种基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器及应用。
背景技术
细胞内的pH是反映细胞代谢变化的一个重要的生理学参数，准确地、动态地、无损伤地观测完整活细胞内的pH及其变化对于深入开展细胞代谢及相关作用机制研究具有重要的意义。目前一些用于活细胞内的pH测定主要使用微电极法、荧光染色法、核磁共振法等。其中核磁共振法使用的仪器昂贵，应用较少。微电极法由于需要参比电极，容易机械地或化学地损伤或破坏细胞，并引起细胞内部环境的变化。荧光染色法由于荧光检测灵敏度高、仪器简单，广泛用于细胞内的pH的传感。但是，目前使用的荧光染料需要能够透过细胞膜，这大大限制了这些传感器在实际中的应用。如何改善传感器的结构，使其不用酯化就能进入细胞成为目前研究的重点。近几年来，微米和纳米科学技术的蓬勃发展为提高生物传感器性能提供了新的机遇和手段，特别是随着一维结构可控制备技术的不断完善，为单细胞内特定部位组分的检测提供了新的传感材料。微米和纳米结构由于比表面积大，作为检测器件的探针，同样大小的传感器能够附载更多的传感分子，因而可以大大增强检测信号的强度，降低对检测仪器灵敏度的要求。尤其是可以通过物理办法将传感分子带入细胞特定位置，大大简化了传统方法中对传感分子的透膜性及靶向性的要求。同时，在对细胞进行pH检测的过程中，微米/纳米锥阵列可以插入到细胞内部，起到固定细胞的作用，因而可以很容易地实现对细胞的定位和对细胞内部pH值的实时检测。这大大降低了对细胞内部pH值检测的难度和成本。有文献用硅纳米线阵列实现了对细胞的固定，但是可用于细胞检测的稀疏的硅纳米线阵列的制备需要利用模板和光刻技术，这需要较为昂贵的设备，增加了制备的难度和成本。锗可以用化学刻蚀法得到符合要求的微米/纳米锥阵列，简便经济，且锗通常状态下稳定无毒，生物兼容性好，这些特点使得锗的微米/纳米锥阵列非常适合做为检测微量溶液或细胞内部pH值的传感器基底。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以用于测量微量溶液及细胞内部pH值的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
本发明是先对基于化学刻蚀方法得到的锗的微米/纳米锥阵列进行表面等离子体处理，使其表面活化；然后再用对pH敏感的氨基荧光素化学共价修饰等离子体处理过的微米/纳米锥阵列表面，得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
本发明的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器是由以下方法制备得到的：
1)锗的微米/纳米锥阵列的表面等离子体处理：
将清洗(可用蒸馏水超声清洗)干净的锗的微米/纳米锥阵列，置于氧气含量为10～100％，电压为100～500伏的氧等离子体中进行处理(一般处理时间为30秒～5分钟)；
2)锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰：
将步骤1)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列，加入到惰性气体保护下的含有0.1～30mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为25～110℃下进行回流处理(一般回流处理的时间为8～48小时)；室温下取出锗的微米/纳米锥阵列，用有机溶剂反复冲洗去除表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为30～50％的戊二醛水溶液中(一般在该戊二醛水溶液中保持5分钟～12小时)；取出锗的微米/纳米锥阵列，用有机溶剂冲洗后浸入到含有1～50mM的氨基荧光素的有机溶剂中(一般在该氨基荧光素的有机溶剂中保持30分钟～6小时)；取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇冲洗后浸入到含有1～5mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为40～60℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理(一般处理时间为2～12小时)；取出锗的微米/纳米锥阵列并用有机溶剂冲洗，即得到本发明的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
步骤2)所述的无水甲苯优选是新蒸的无水甲苯。
步骤2)所述的有机溶剂是常用的有机溶剂，如甲醇、乙醇或丙酮等。
步骤2)所述的3-氨丙基三乙氧基硅烷和戊二醛是作为连接体，将氨基荧光素分子共价连接到锗的微米/纳米锥阵列表面。
步骤2)所述的醋酸硼氢化钠的作用是还原连接体中的碳氮双键，使共价连接更稳定。
所述的锗的微米/纳米锥阵列是由多个锗的微米/纳米锥构成(如图1所示)，其中，阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为5～40μm，尖端的直径为50～100nm。
所述的锗的微米/纳米锥阵列可用化学刻蚀法制备得到，该方法包括以下步骤：
(1)配制含有氢氟酸和双氧水的水溶液作为刻蚀溶液；
(2)将清洗(优选用无水乙醇和蒸馏水超声清洗)过的单晶锗片浸入到盛有步骤(1)得到的刻蚀溶液的密闭容器中；密闭容器中的刻蚀溶液的加入量一般为密闭容器的容积量的50～90％；
(3)将步骤(2)盛有刻蚀溶液的密闭容器放入到恒温水浴槽中，在温度为0～60℃下处理12～24小时；取出锗片，用蒸馏水冲洗后自然晾干；
(4)将步骤(3)晾干的锗片在氢气气氛中，于温度为540～600℃下退火还原2～5小时，即得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列；其中：锗的微米/纳米锥的长度为5～40μm，尖端的直径为50～100nm。
步骤(1)所述的刻蚀溶液中的氢氟酸的浓度为2～15M，双氧水的浓度为0.01～0.4M。
步骤(2)所述的单晶锗片的晶向为<100>、<110>或<111>。
步骤(2)所述的密闭容器是不与HF酸溶液反应的容器，可以是20～100mL的塑料离心管、20～100mL的塑料瓶或水热反应釜。
本发明的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器可用于溶液及细胞内部的pH值的实时检测。
将基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器与待检测的化学溶液接触，或将待检测的细胞培养在基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器上，通过激发装置(如汞灯、氙灯或激光器)和荧光检测装置(如荧光显微镜)检测修饰在锗的微米/纳米锥阵列表面的氨基荧光素的荧光强度变化，实现溶液pH值或细胞内部的pH值的检测。
所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其传感范围为pH＝4～9。
在对本发明的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器进行测试时，可以是将不同pH值的缓冲溶液(pH＝4～9)用移液枪滴在同一样品切割成的不同小样品上，也可以是用待测量的pH值的缓冲溶液浸泡同一样品，也可以是将待测的细胞在基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器的表面培养后进行测试。用荧光显微镜进行荧光强度的观察，并进行拍照，对荧光进行积分量化对比荧光强度。所用的激发光源为汞灯、氙灯(激发波长为470～495nm)或488nm激光器，发射光为绿光。
本发明中的锗的微米/纳米锥阵列的制备方法工艺简单，不需要高温和金属催化剂，常压下即可进行，为制备锗的微观结构提供了一种简单经济的方法。单晶锗片放入刻蚀溶液中后，在氢氟酸的作用下会溶解形成一些凹槽，这些凹槽的底部更容易得到锗片内部的空穴，在空穴的促进作用下凹槽底部的溶解速度加快，凹槽相互交叉连接把锗片表面划分成很多独立的小岛。与此同时，由于空穴的消耗，表面没有形成凹槽的地方溶解变慢，并在双氧水的作用下形成一层溶解更缓慢的低价锗的氧化物，使小岛表面的溶解进一步受到抑制，最终这些独立的小岛就形成锥状结构。通过改变刻蚀溶液中的氢氟酸和双氧水的浓度和温度，能够控制凹槽底部和小岛表面低价氧化锗的溶解速度，因而，可以在很大的范围内对锗的微米/纳米锥的长径比进行调节。
附图说明
图1.本发明实施例1的锗的微米/纳米锥阵列的电子扫描照片。
图2.本发明的锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰及荧光强度变化示意图。
图3.本发明实施例1的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器在不同pH值下的荧光照片的对比。
图4.本发明实施例1的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器在不同pH值下的相对荧光强度变化。
具体实施方式
实施例1
(1)配制含有5M氢氟酸和0.05M双氧水的水溶液作为刻蚀溶液，在50mL塑料离心管中加入是塑料离心管容积量50％的上述刻蚀溶液；将晶向为<100>的单晶锗切成10mm×10mm的小块，然后用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，将清洗后的单晶锗片浸入到上述离心管中的刻蚀溶液中；将盛有刻蚀溶液的上述离心管放入到恒温水浴槽中，在温度为20℃的恒温水浴中处理12小时；取出锗片后用蒸馏水冲洗后自然晾干；最后在氢气气氛下，于常压、温度为550℃下退火还原4小时，即得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列，其中，阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为8μm，尖端的直径为50～100nm。图1是本实施例的锗的微米/纳米锥阵列的电子显微镜照片。
(2)将步骤(1)得到的锗的微米/纳米锥阵列用蒸馏水超声清洗干净后，置于氧气含量为30％，电压为100伏的氧等离子体中进行处理30秒。
(3)将步骤(2)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列；加入到氮气保护下的含有0.1mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为110℃下进行回流处理8小时；温度降至室温，取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇反复冲洗表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为50％的戊二醛水溶液中，室温保持5分钟；取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇冲洗后浸入到含有50mM的氨基荧光素的无水乙醇溶液中，室温下保持30分钟；取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇冲洗后浸入到含有1mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为50℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理12小时；取出锗的微米/纳米锥阵列并用乙醇冲洗，即得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰及荧光强度变化示意图请参见图2。
将上述制备得到的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器裁剪成6块样品，分别将用不同比例的临苯二甲酸氢钾和四硼酸钠配制的不同的pH值的缓冲水溶液滴在上述不同的样品上，用氙灯光源的470～495nm的光激发，用荧光显微镜观察锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰的氨基荧光素的荧光强度的变化并拍照，通过测量荧光强度实现对溶液pH值的检测。荧光强度随溶液pH值的增加而增强。
如图3所示，本实施例的荧光pH传感器的荧光强度随pH的变化照片。
图4给出了本实施例中荧光强度与pH的关系。
实施例2
(1)配制含有7M氢氟酸和0.05M双氧水的水溶液作为刻蚀溶液，在50mL塑料离心管中加入是塑料离心管容积量70％的上述刻蚀溶液；将晶向为<100>的单晶锗切成5mm×5mm的小块，然后用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，将清洗后的单晶锗片浸入到上述离心管中的刻蚀溶液中；将盛有刻蚀溶液的上述离心管放入到恒温水浴槽中，在温度为60℃的恒温水浴中处理24小时；取出锗片后用蒸馏水冲洗后自然晾干；最后在氢气气氛下，于常压、温度为540℃下退火还原4小时，即得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列，其中，阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为40μm，尖端的直径为50～100nm。
(2)将步骤(1)得到的锗的微米/纳米锥阵列用蒸馏水超声清洗干净后，置于氧气含量为100％，电压为200伏的氧等离子体中进行处理5分钟。
(3)将步骤(2)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列；加入到氮气保护下的含有1mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为90℃下进行回流处理8小时；温度降至室温，取出锗的微米/纳米锥阵列，用丙酮反复冲洗表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为40％的戊二醛水溶液中，室温保持2小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇冲洗后浸入到含有10mM的氨基荧光素的无水乙醇溶液中，室温下保持3小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用丙酮冲洗后浸入到含有1mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为50℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理6小时；取出锗的微米/纳米锥阵列并用乙醇冲洗，即得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
分别将用不同比例的临苯二甲酸氢钾和四硼酸钠配制的不同的pH值的缓冲水溶液滴在上述样品上，用氙灯光源的470～495nm的光激发，用荧光显微镜观察锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰的氨基荧光素的荧光强度的变化并拍照，通过测量荧光强度实现对溶液pH值的检测。荧光强度随溶液pH值的增加而增强。
实施例3
(1)配制含有15M氢氟酸和0.4M双氧水的水溶液作为刻蚀溶液，在50mL塑料离心管中加入是塑料离心管容积量80％的上述刻蚀溶液；将晶向为<110>的单晶锗切成5mm×5mm的小块，然后用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，将清洗后的单晶锗片浸入到上述离心管中的刻蚀溶液中；将盛有刻蚀溶液的上述离心管放入到恒温水浴槽中，在温度为30℃的恒温水浴中处理24小时；取出锗片后用蒸馏水冲洗后自然晾干；最后在氢气气氛下，于常压、温度为600℃下退火还原4小时，即得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列，其中，阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为20μm，尖端的直径为50～100nm。
(2)将步骤(1)得到的锗的微米/纳米锥阵列用蒸馏水超声清洗干净后，置于氧气含量为10％，电压为500伏的氧等离子体中进行处理60秒钟。
(3)将步骤(2)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列；加入到氮气保护下的含有5mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为25℃下进行回流处理48小时；温度降至室温，取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇反复冲洗表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为50％的戊二醛水溶液中，室温保持5小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用甲醇冲洗后浸入到含有10mM的氨基荧光素的丙酮溶液中，室温下保持2小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用甲醇冲洗后浸入到含有2mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为40℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理4小时；取出锗的微米/纳米锥阵列并用甲醇冲洗，即得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
分别将用不同比例的临苯二甲酸氢钾和四硼酸钠配制的不同的pH值的缓冲水溶液滴在上述样品上，用汞灯光源激发，用荧光显微镜观察锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰的氨基荧光素的荧光强度的变化并拍照，通过测量荧光强度实现对溶液pH的检测。
实施例4
(1)配制含有2M氢氟酸和0.01M双氧水的水溶液作为刻蚀溶液，在50mL塑料离心管中加入是塑料离心管容积量90％的上述刻蚀溶液；将晶向为<111>的单晶锗切成10mm×10mm的小块，然后用无水乙醇和蒸馏水超声清洗，将清洗后的单晶锗片浸入到上述离心管中的刻蚀溶液中；将盛有刻蚀溶液的上述离心管放入到恒温水浴槽中，在温度为50℃的恒温水浴中处理20小时；取出锗片后用蒸馏水冲洗后自然晾干；最后在氢气气氛下，于常压、温度为600℃下退火还原4小时，即得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列，其中，阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为5μm，尖端的直径为50～100nm。
(2)将步骤(1)得到的锗的微米/纳米锥阵列用蒸馏水超声清洗干净后，置于氧气含量为50％，电压为100伏的氧等离子体中进行处理30秒钟。
(3)将步骤(2)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列；加入到氮气保护下的含有30mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为90℃下进行回流处理24小时；温度降至室温，取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇反复冲洗表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为50％的戊二醛水溶液中，室温保持12小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用甲醇冲洗后浸入到含有1mM的氨基荧光素的丙酮溶液中，室温下保持6小时；取出锗的微米/纳米锥阵列，用甲醇冲洗后浸入到含有2mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为60℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理2小时；取出锗的微米/纳米锥阵列并用甲醇冲洗，即得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
分别将用不同比例的临苯二甲酸氢钾和四硼酸钠配制的不同的pH值的缓冲水溶液滴在上述样品上，用488nm的激光器激发，用荧光显微镜观察锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰的氨基荧光素的荧光强度的变化并拍照，通过测量荧光强度实现对溶液pH值的检测。
Claims (10)
1.一种基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是，所述的荧光pH传感器是由以下方法制备得到的：
1)锗的微米/纳米锥阵列的表面等离子体处理：
将清洗干净的锗的微米/纳米锥阵列，置于氧气含量为10～100％，电压为100～500伏的氧等离子体中进行处理；
2)锗的微米/纳米锥阵列的表面修饰：
将步骤1)得到的经氧等离子体处理过的干燥的锗的微米/纳米锥阵列，加入到惰性气体保护下的含有0.1～30mM的3-氨丙基三乙氧基硅烷的无水甲苯溶液中，于温度为25～110℃下进行回流处理；室温下取出锗的微米/纳米锥阵列，用有机溶剂反复冲洗去除表面未反应的3-氨丙基三乙氧基硅烷，之后浸入到质量浓度为30～50％的戊二醛水溶液中；取出锗的微米/纳米锥阵列，用有机溶剂冲洗后浸入到含有1～50mM的氨基荧光素的有机溶剂中；取出锗的微米/纳米锥阵列，用无水乙醇冲洗后浸入到含有1～5mM的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中，在温度为40～60℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理；取出锗的微米/纳米锥阵列并用有机溶剂冲洗，得到基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器。
2.根据权利要求1所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的于温度为25～110℃下进行回流处理的时间为8～48小时；所述的浸入到质量浓度为30～50％的戊二醛水溶液中的时间为5分钟～12小时。
3.根据权利要求1所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的浸入到含有1～50mM的氨基荧光素的有机溶剂中的时间为30分钟～6小时。
4.根据权利要求1所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的在温度为40～60℃的醋酸硼氢化钠的乙醇溶液中进行处理的时间为2～12小时。
5.根据权利要求1或3所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的有机溶剂是甲醇、乙醇或丙酮。
6.根据权利要求1所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的锗的微米/纳米锥阵列中的锗的微米/纳米锥的长度为5～40μm，尖端的直径为50～100nm。
7.根据权利要求1或6所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：所述的锗的微米/纳米锥阵列是由以下方法制备得到的：
(1)配制含有氢氟酸和双氧水的水溶液作为刻蚀溶液；
(2)将清洗过的单晶锗片浸入到盛有步骤(1)得到的刻蚀溶液的密闭容器中；
(3)将步骤(2)盛有刻蚀溶液的密闭容器放入到恒温水浴槽中，在温度为0～60℃下处理12～24小时；取出锗片，用蒸馏水冲洗后自然晾干；
(4)将步骤(3)晾干的锗片在氢气气氛中，于温度为540～600℃下退火还原2～5小时，得到由多个锗的微米/纳米锥构成的锗的微米/纳米锥阵列；其中，锗的微米/纳米锥的长度为5～40μm，尖端的直径为50～100nm；
步骤(1)所述的刻蚀溶液中的氢氟酸的浓度为2～15M，双氧水的浓度为0.01～0.4M。
8.根据权利要求7所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其特征是：步骤(2)所述的单晶锗片的晶向为<100>、<110>或<111>。
9.一种根据权利要求1～8任意一项所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器的应用，其特征是：将基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器与待检测的化学溶液接触，或将待检测的细胞培养在基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器上，通过激发装置和荧光检测装置检测修饰在锗的微米/纳米锥阵列表面的氨基荧光素的荧光强度变化，实现溶液pH值或细胞内部的pH值的检测。
10.根据权利要求9所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器的应用，其特征是：所述的基于锗的微米/纳米锥阵列的荧光pH传感器，其传感范围为pH＝4～9。
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