CN109975263A - 基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感器,包括宽带光源(1)、倾斜光纤光栅(2)、偏振控制器(3)、光纤光谱仪(4)、石墨烯量子点(5)、稀土离子(6)、凝血酶(7)；倾斜光纤光栅(2)表面镀有石墨烯量子点(5)，稀土离子可与石墨烯量子点(5)结合,使石墨烯量子点(5)的荧光猝灭；凝血酶(7)也可与稀土离子(6)发生配位作用，从而与石墨烯量子点(5)竞争结合稀土离子(6)，减弱了石墨烯量子点(5)与稀土离子(6)的结合，而使其荧光恢复。通过检测倾斜光纤光栅(2)的光谱即可实现对凝血酶(7)活性分析。该发明具有检测快速简便、免标记、高灵敏等优点，具有很强的创新性和实用价值。
Description
技术领域
本发明属于生物医学光学的技术领域，具体涉及一种基于稀土离子介导石墨烯量子点荧光开关的凝血酶生物传感器
背景技术
倾斜光纤光栅是一种光栅条纹与光纤轴向存在一定角度的新型无源器件，它作为一种特殊的光纤光栅传感器受到了广泛的关注，它除了光纤光栅本身具有的优点外，还具有环境折射率灵敏度高，可解决温度-应变交叉敏感问题等其他光纤光栅传感器无法比拟的优点。已被应用于扭度传感、液位检测、pH值检测和生物化学检测等方面的研究。
稀土元素是周期表中IIIB族钇和镧系元素之总称。稀土元素是亲氧元素，稀土配合物的特征配位原子是氧，可与很多含氧的配体，如羧酸、冠醚、β-二酮、含氧的磷类萃取剂生成高配位数的稀土配合物。
石墨烯量子点(GQDs)是尺寸小于100nm的零维石墨烯纳米片，具有石墨烯的结构特性和高比表面积特性，拥有稳定的SP2杂化。作为一种具有优良的荧光性能，良好的生物相容性，光稳定性，低毒性等特点的新型碳纳米材料，石墨烯量子点(GQDs)近来受到广泛的关注，在生物成像、传感器、发光器件、光催化以及太阳能电池等应用领域被广泛研究。
稀土离子可以和石墨烯表面的含氧基团发生配位作用，且稀土离子通常被视为一种硬酸，在碱性条件下能与硬碱OH-形成不溶性复合物，从而阻止石墨烯量子点与稀土离子的结合。
凝血酶(Tb)作为一种生物活性蛋白，在人体抗凝、促凝的凝血级联反应中有着重要的作用，可以促使可溶性的纤维蛋白原转化成不溶性的纤维蛋白，与生理性或病理性的血栓息息相关，它也是肿瘤细胞发展过程中的一个重要标志物，在生物医学、临床疾病诊断中有着极大的应用价值。因此，Tb活性检测对临床疾病诊断、病程发展、预后以及疗效监测和评估等都具有重要意义。然而，Tb在血液凝固过程中含量很低，一般介于微摩尔到纳摩尔之间，其检测方法中也存在一些不足，常用的Tb检测方法有化学发光法、荧光法、电化学法、比色法等，这些方法多采用核酸适配体为识别单元，并需要在适配体上修饰信号分子，过程复杂、耗时且成本较高。因此，寻找一种快速、免标记、高灵敏的Tb传感新方法具有重要意义。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感器，其目的在于利用通过倾斜光纤光栅、稀土离子与凝血酶以及荧光石墨烯量子点之间的相互作用，建立快速、免标记、高灵敏的Tb识别传感方法。
本发明通过以下技术方案实现：基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感，包括宽带光源(1)、倾斜光纤光栅(2)、偏振控制器(3)、光纤光谱仪(4)、石墨烯量子点(5)、稀土离子(6)、凝血酶(7)；其特征在于：倾斜光纤光栅(2)表面镀有石墨烯量子点(5)，稀土离子(6)结合在石墨烯量子点(5)上，稀土离子(6)在石墨烯量子点(5)上的位置自由排列，颗粒间有间隙；凝血酶(7)结合在稀土离子(6)上，且它与石墨烯量子点(5)竞争结合稀土离子(6)；稀土离子(6)可与石墨烯量子点(5)表面的含氧基团发生配位，形成高配位数配合物使石墨烯量子点(5)聚集而使其荧光猝灭，可实现凝血酶传感。
本发明的工作原理是：石墨烯量子点(GQDs)具有良好的荧光特性，且其表面存在大量的羧基和羟基等含氧基团，稀土离子是亲氧离子可以与氧原子发生配位作用，生成高配位数的配合物，导致石墨烯量子点聚集而荧光减弱；当在石墨烯量子点与稀土离子结合产生的配合物中加入凝血酶时，凝血酶中的氮、氧等原子可与稀土离子发生配位，从而与石墨烯量子点竞争结合稀土离子，减弱了石墨烯量子点与稀土离子的作用，使得石墨烯量子点的荧光恢复。相当于构建了一种石墨烯量子点荧光开关，当有凝血酶时石墨烯量子点的荧光恢复，当没有凝血酶时石墨烯量子点的荧光猝灭。
倾斜光纤光栅是一种光栅条纹与光纤轴向存在一定角度的新型的光无源器件，其内部的折射率调制是均匀的，只是光栅中模式耦合与其他类型的光栅有所区别。倾斜光纤光栅中的模式耦合主要包括芯层导模与芯层导模的耦合、芯层导模与包层模的耦合以及芯层导模与辐射模的耦合(包层无限大时)。
由于倾斜光纤光栅的光栅条纹与光纤轴向存在一定倾角γ，使得传输光的耦合发生改变。相位匹配条件为：
λB＝2neff，coreΛ/cosγ
其中，
Λ＝Λgcosγ
式中γ是光栅的倾斜角度，neff，core和分别是芯层导模和第i阶包层模的有效折射率，Λ是当γ＝0时光栅的周期，Λg是倾斜光纤光栅的光栅周期。
当一束入射光入射达到光栅时，满足布拉格(Bragg)反射条件的传输光将进行布拉格反射(即前向传输光与后向传输光发生耦合)；同时，满足阶包层模辐射条件的光将耦合至包层中，与外界环境发生能量交换。因此，在不同倾斜角度的情况下，倾斜光纤光栅存在不同的谐振峰。光栅反射谱的波长和强度等特性也会随着倾斜角度的改变而发生变化。当倾斜角度达某一角度时，光栅的反射率为零。当倾斜角度在某一范围内时，倾斜光纤光栅的反射谱特性与普通的布拉格光纤光栅反射谱极为相似，所以当应力、应变、温度、压力、振动、磁场、电流和环境折射率等多种参量发生改变时，通过检测倾斜光纤光栅的反射和透射谱，可以得到被测物理量的改变量，从而达到传感测量的目的。
本发明的有益效果是：本发明的设计将倾斜光纤光栅、稀土离子、荧光石墨烯量子点和凝血酶相结合，构建了基于稀土离子介导石墨烯量子点荧光开关的凝血酶倾斜光纤光栅生物传感器，只需通过检测并解调倾斜光纤光栅的光谱即可实现对凝血酶活性的高灵敏分析，不需要进行标记，方法简便快速，成本低；且对凝血酶的检测限低，特异性强；也拓宽了石墨烯量子点在生物医学领域的应用范围，具有很强的创新性和实用价值，有良好的应用前景。
附图说明
图1是基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶光纤光栅生物传感器结构示意图。
图2是倾斜光纤光栅传感器的结构示意图
图3是石墨烯量子点和稀土离子的配位示意图。
图4是稀土离子和凝血酶的配位示意图。
图中1为宽带光源、2为倾斜光纤光栅、3为偏振控制器、4为光纤光谱仪、5为石墨烯量子点、6为稀土离子、7为凝血酶、8为石墨烯量子点上的含氧基团、9为凝血酶上的含氮基团、10为凝血酶上的含氧基团。
具体实施方式
如图1所示，基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感器，包括宽带光源(1)、倾斜光纤光栅(2)、偏振控制器(3)、光纤光谱仪(4)、石墨烯量子点(5)、稀土离子(6)、凝血酶(7)、石墨烯量子点上的含氧基团(8)、凝血酶上的含氮基团(9)、凝血酶上的含氧基团(10)。宽带光源(1)通过偏振控制器(3)连接倾斜光纤光栅(2)的一端，倾斜光纤光栅(2)的另一端连接到光纤光谱仪(4)上。倾斜光纤光栅(2)表面镀有石墨烯量子点(5)，且石墨烯量子点(5)上的含氧基团(8)可与稀土离子(6)发生配位，形成高配位数的配合物，结合在石墨烯量子点(5)上，使石墨烯量子点(5)聚集而使其荧光猝灭。当有凝血酶(7)存在时，凝血酶上的含氮基团(9)和含氧基团(10)也可与稀土离子(6)发生配位作用，从而与石墨烯量子点(5)竞争结合稀土离子(6)，减弱了石墨烯量子点(5)与稀土离子(6)的结合而使其荧光恢复。通过检测倾斜光纤光栅(2)的反射和透射谱，即可以得到被测物理量的改变量，从而达到对凝血酶传感测量的目的。
Claims (1)
1.基于稀土离子和石墨烯量子点的凝血酶生物传感器，包括宽带光源(1)、倾斜光纤光栅(2)、偏振控制器(3)、光纤光谱仪(4)、石墨烯量子点(5)、稀土离子(6)、凝血酶(7)；其特征在于：倾斜光纤光栅(2)表面镀有石墨烯量子点(5)，稀土离子(6)结合在石墨烯量子点(5)上，稀土离子(6)在石墨烯量子点(5)上的位置自由排列，颗粒间有间隙；凝血酶(7)结合在稀土离子(6)上，且它与石墨烯量子点(5)竞争结合稀土离子(6)；稀土离子(6)可与石墨烯量子点(5)表面的含氧基团发生配位，形成高配位数配合物使石墨烯量子点(5)聚集而使其荧光猝灭，可实现凝血酶传感。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487729A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-22 | 温州大学 | 基于石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的高灵敏周期性传感系统 |
| CN110829160A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-02-21 | 西安交通大学 | 一种耐高温超短腔分布反射式单频光纤激光器及其制作方法 |
| CN110823978A (zh) * | 2019-10-31 | 2020-02-21 | 南京大学 | 一种可穿戴光电化学生物传感器及其制备方法 |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107101986A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-08-29 | 南昌大学 | 一种基于石墨烯量子点/铒离子荧光纳米探针的凝血酶检测方法 |
| CN108732101A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-11-02 | 温州大学 | 石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法 |
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Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN107101986A (zh) * | 2017-06-13 | 2017-08-29 | 南昌大学 | 一种基于石墨烯量子点/铒离子荧光纳米探针的凝血酶检测方法 |
| CN108732101A (zh) * | 2018-07-27 | 2018-11-02 | 温州大学 | 石墨烯集成倾斜光纤光栅折射率传感器及灵敏度调控方法 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN110487729A (zh) * | 2019-08-12 | 2019-11-22 | 温州大学 | 基于石墨烯集成倾斜光纤光栅传感器的高灵敏周期性传感系统 |
| CN110829160A (zh) * | 2019-09-23 | 2020-02-21 | 西安交通大学 | 一种耐高温超短腔分布反射式单频光纤激光器及其制作方法 |
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