CN104634743A - 一种可视化光子晶体传感器制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种快速检测葡萄糖的方法，属于检测技术领域，本发明利用悬浮聚合法制备具有苯硼酸基团识别元件的单分散纳米微球，将具该纳米微球经过垂直沉降自组装法制备为光子晶体，该光子晶体基于其上的识别元件苯硼酸基团同检测物葡萄糖进行结合后，导致光子晶体的晶格参数变化，最终导致结构色泽发生改变，从而建立现场快速可视化检测葡萄糖的光子晶体传感器检测方法。该方法具有良好的灵敏性、快速响应性和直观可视性。悬浮聚合法制备具有识别元件的光子晶体纳米微球、垂直沉降自组装法制备光子晶体都显著降低了检测成本，其制备方法简易，传感器的存储性、稳定性、可视化性在食品业和医学业中的葡萄糖检测应用中具有很大的潜力。

Description

一种可视化光子晶体传感器制备方法
技术领域
本发明涉及了一种基于化学反应的光子晶体传感器制备方法，特别是涉及到一种基于硼酸基团识别葡萄糖等糖类的光子晶体检测技术。
背景技术
葡萄糖(化学式C6H12O6)又称为玉米葡糖、玉蜀黍糖，甚至简称为葡糖，是自然界分布最广且最为重要的一种单糖，它是一种多羟基醛。纯净的葡萄糖为无色晶体，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，故亦称“右旋糖”。葡萄糖在生物学领域具有重要地位，是活细胞的能量来源和新陈代谢中间产物，即生物的主要供能物质。它的氧化反应放出的热量是人类生命活动所需能量的重要来源。植物可通过光合作用产生葡萄糖。在糖果制造业和医药领域有着广泛应用。比如：葡萄糖在医学上主要用作注射用营养剂(葡萄糖注射液)；食品工业上葡萄糖经异构酶处理后可制造果糖，尤其是含果糖42％的果葡糖浆，其甜度同蔗糖，已成为当前制糖工业的重要产品。葡萄糖具有很多的功能与用处，但有时也需要对葡萄糖进行检测。在食品行业中，一些不法分子利用糖精等物质作为甜味剂，来代替食品中的糖类物质(特别是葡萄糖、果糖、蔗糖)，从而赋予食品甜味。因此对果脯、饮料和糖果等食品也需要进行葡萄糖等糖类的检测。同时医学上为了能快速鉴定和确诊是否患有糖尿病、低血糖、胰岛素休克等，也需要通过检测患者血糖、尿液等的葡糖糖含量，从而进行确诊。因此，在食品和医学上建立快速有效准确的葡萄糖检测技术是十分迫切并且具有重要意义的。
目前葡萄糖的检测方法主要有高效液相色谱法、分光光度法、旋光度法、生物传感器法、气相色谱法等。在这些方法中，高效液相色谱法，气相色谱法、高效阴离子交换色谱-脉冲安培检测法的灵敏度高，但设备昂贵，检测成本高，样品处理方法繁杂，不利于快速有效的检测；采用分光光度法分析需加入显色剂，并且灵敏度精准性不佳；鉴于葡萄糖结构的复杂性，旋光度法只适宜作为一种辅助的检测方法；生物传感器法具有线性检测范围宽、灵敏度高等优点，且成本较低，有很好的应用前景。目前，光子晶体技术在传感器中的研究充分展现其优势：无需标记，通过颜色变化的自表达特性，检测方法快速、灵敏，这为其开发成一类现场快速检测技术提供了必要条件。光子晶体由于其三维有序特性产生的布拉格衍射峰提供的直接可读的光信号，因此可以选择作为传感器的传感元件。但是利用这种方法设计对特定目标具有传感性能的材料时，必须寻找一些特殊的识别单元，如：冠醚对金属离子的识别，苯硼酸对葡萄糖的识别，抗体对抗原的识别，络合物化学反应或是与分子印迹技术相结合等，通过将这些识别元件与光子晶体技术这个传感元件相结合可以制备高效、快速、灵敏、直观的传感器检测方法。为了达到现场快速有效准确的检测葡萄糖分子，通过建立将苯硼酸基团连接到构成光子晶体的纳米微球上的制备方法，建立葡萄糖与苯硼酸在弱碱性条件下识别反应的光子晶体快速可视化检测技术，在此基础上构建了检测葡萄糖的光子晶体传感器及其检测方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种光子晶体传感方法用于检测葡萄糖。
本发明的第二个目的是提供一种聚合了苯硼酸基团(识别基团)的纳米微球制备方法及其制备成可检测葡萄糖的光子晶体的方法。
本发明的技术方案概述如下：
一种用于葡萄糖快速检测的光子晶体制备方法具体步骤如下：
(1)将共同功能单体与引发剂通过利用悬浮聚合法(80℃下反应45min，转速370rpm)制备带有识别基团的纳米微球，通过调节其共同单体的比例，来控制单分散纳米微球的制备。通过傅里叶红外扫描、X-射线光电子能谱技术来确认基团的连接与否。
(2)将步骤(1)中带有识别基团的单分散纳米微球通过垂直沉降自组装法制备用于葡萄糖检测的光子晶体。将该光子晶体通过扫描电镜确定其结构及微球粒径。在光纤光谱仪(Maya2000pro，Ocean Optics，美国)下，通过该光子晶体上的苯硼酸基团在弱碱性的溶液中识别葡萄糖。
所述共同功能单体优选为甲基丙烯酸甲酯、异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸。
所述引发剂优选为过硫酸钾。
一种基于苯硼酸作为识别元件的光子晶体传感器检测葡萄糖的方法，具体步骤如下：
(1)配置系列浓度的葡萄糖溶液，通过光纤光谱仪对所制备的光子晶体传感器进行结合响应测试，绘制葡萄糖浓度与反射峰信号响应图，获得检测范围。
(2)配置系列浓度的葡萄糖溶液，通过光纤光谱仪对未连接苯硼酸基团识别元件的光子晶体进行葡萄糖的结合响应测试，绘制葡萄糖浓度与反射峰信号响应图，获得检测范围。
(3)利用数码相机对连接有苯硼酸基团识别元件的光子晶体进行识别葡萄糖的颜色变化响应进行拍照。
附图说明
图1具有苯硼酸基团的光子晶体制备原理图和制备过程图。
图2具有苯硼酸基团的光子晶体傅里叶红外扫描谱图。
809.33和709.17nm处同时出现峰位置说明具有有苯环的键位存在，1600-1450nm有多个峰说明具有苯环上的双键存在，这两处位置说明有3-丙烯酰胺基苯硼酸；1656.91nm处的酰胺键基团说明有异丙基丙烯酰胺。
图3具有苯硼酸基团的光子晶体X-射线光电子能谱图。
碳元素C1s结合能284.80eV说明具有C-C键、结合能288.43eV说明具有O-C=O键；氧元素O1s结合能531.61eV说明具有C=O键、结合能533.43eV说明具有-OH键；氮元素N1s结合能399.56eV说明具有N；硼元素B1s结合能194.25eV说明具有B。
图4具有苯硼酸基团的光子晶体扫描电镜图。
微球直径为210nm，结构高度有序，微球形似正六边形，高度均一。
图5具有苯硼酸基团的光子晶体对葡萄糖结合响应测试结果图。
葡萄糖检测响应范围为1-12、15、20m mol／L，反射峰随着葡萄糖浓度的增加逐渐的发生红移，红移达到75nm，并且伴随着峰强下降，下降166a.u.。
图6未有苯硼酸基团的光子晶体对葡萄糖结合响应测试结果图。
葡萄糖检测响应范围为1-12、15、20m mol／L，反射峰不随着葡萄糖浓度的变化而变化，有略微的峰强下降，下降6a.u.。
图7具有苯硼酸基团的光子晶体对葡萄糖结合响应颜色变化对比图。
左图为光子晶体检测前色泽(蓝紫色)图片，右图为检测葡萄糖后光子晶体的最终颜色(绿色)。
具体实施方式
实施方式一：苯硼酸基团光子晶体的制备
苯硼酸基团光子晶体制备：(1)一定比例的共同功能单体进行混合后同60mg引发剂在80℃，370rpm下进行悬浮聚合45min，形成单分散的纳米微球。
(2)一定比例的共同功能单体进行混合(功能单体甲基丙烯酸甲酯为3ml，异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸共同功能单体与其成一定比例)、引发剂溶于1.5ml双蒸水中，反应在27ml的双蒸水中进行。
(3)通过重力离心法进行均一粒径的筛选，弃上清和沉淀，收集乳液，计算其质量分数，配制一定浓度的单分散纳米微球乳液。
(4)在30℃，40％的湿度下通过垂直沉降自组装法进行光子晶体的制备。
无苯硼酸基团光子晶体制备：(1)一定比例的共同功能单体进行混合后同60mg引发剂在80℃，370rpm下进行悬浮聚合45min，形成单分散的纳米微球。
(2)一定比例的共同功能单体进行混合(功能单体甲基丙烯酸甲酯为3ml，异丙基丙烯酰胺共同功能单体与其成一定比例)、引发剂溶于1.5ml双蒸水中，反应在27ml的双蒸水中进行。
(3)通过重力离心法进行均一粒径的筛选，弃上清和沉淀，收集乳液，计算其质量分数，配制一定浓度的单分散纳米微球乳液。
(4)在30℃，40％的湿度下通过垂直沉降自组装法进行光子晶体的制备。
光子晶体表征及结构色检测：(1)将制备好的单分散纳米微球60℃下烘干，进行傅里叶红外扫描和X-射线光电子能谱测定，确定含有元素和键合结果(图2、图3)。
(2)利用扫描电镜将制备好的光子晶体进行拍照，观测有序结构和微球粒径(图4)。
实施方式二：基于苯硼酸基团同葡萄糖识别的光子晶体传感器检测葡萄糖
(1)将制备好的光子晶体放于弱碱性条件下(pH=8的CHES Buffer)，待光纤光谱仪稳定后，记录检测基线。
(2)配制1、5m mol／L的葡萄糖溶液，从低浓度到高浓度(1-12、15、20m mol／L)进行葡萄糖的检测，每次加样后，等待1-3min，待其稳定后，记录检测响应数值(图5、图6)。
(3)通过数码相机(Cannon，日本)记录光子晶体检测前、后结构色的变化(图7)。

Claims (4)

1.一种用于检测葡萄糖检测的光子晶体传感方法，该方法是基于苯硼酸基团对葡萄糖的识别。
2.所述光子晶体制备方法，其特征由以下步骤组成：
(1)一定比例的共同功能单体进行混合后同60mg引发剂在80℃，370rpm下进行悬浮聚合45min，形成单分散的纳米微球。
(2)一定比例的共同功能单体进行混合(功能单体甲基丙烯酸甲酯为3ml，异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸共同功能单体与其成一定比例)、引发剂溶于1.5ml双蒸水中，反应在27ml的双蒸水中进行。
(3)通过重力离心法进行均一粒径的筛选，弃上清和沉淀，收集乳液，计算其质量分数，配制一定浓度的单分散纳米微球乳液。
(4)在30℃，40％的湿度下通过垂直沉降自组装法进行光子晶体的制备。
3.所述共同功能单体优选为甲基丙烯酸甲酯、异丙基丙烯酰胺、3-丙烯酰胺基苯硼酸。
4.所述引发剂优选为过硫酸钾。
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