CN110487759A - 针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，该传感器包括具有流体入口和流体出口的微流控芯片本体，在芯片本体内还设置有一与流体入口与出口相连的检测腔，并在检测腔中合成了能够用于检测葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶结构；这种气凝胶结构能够针对不同含量的葡萄糖溶液反映出不同的荧光颜色，能够让人通过肉眼与仪器分析得到所测溶液的葡萄糖含量。本发明还公开了微传感器在葡萄糖可视化定性检测和定量检测中的应用。本发明的检测装置携带便携，既能实现定性的快速可视化分析，也能实现高灵敏度的定量分析。
Description
技术领域
本发明涉及气凝胶传感器技术，特别是涉及一种针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器及其应用。
背景技术
荧光量子点由于其受激发出的荧光具有优异的光谱特性和稳定的光化学性，且其荧光颜色能够由其尺寸决定而不改变表面组成物等特点，因此被作为一种理想的荧光材料而应用于葡萄糖光化学酶生物传感器之中。
基于量子点的荧光检测方法根据其信号输出模式可以分为单发射型和比率荧光型。单发射型荧光检测方法就是具有单一发射波长的量子点会因检测物的存在其荧光强度会增大或减少，通过测量其荧光强度的变化程度从而实现检测物定量检测的技术。比率型荧光检测则是以具有两种不同发射波长的荧光材料作为标记物进行检测，这两种不同发射波长处的荧光强度会由于检测物的存在发生不同程度的变化进而使得这两种不同发射波长处的荧光强度的比值进行改变，通过测量其荧光强度比值的变化程度从而实现检测物定量检测的技术。
单发射型荧光检测方法凭借其简单有效、直接方便、响应时间短等优点所以受到了人们的广泛研究，并用于生化、医疗、环境监测等各个领域。但是由于单发射型量子点荧光强度容易受到人为操作和环境的影响，特别是对于可视化检测来说，其荧光更是受到环境光和人为主观因素的干扰，所以近年来，人们开始利用具有不同发射波长的荧光量子点来组装复合材料实现对检测物的检测。该种检测方法的关键是通过将一种对检测物不敏感的荧光材料作为内参，其荧光强度不随检测物改变，而另一种发射波长的荧光量子点荧光强度会随检测物浓度变化，通过这种办法可以消除环境中不必要的干扰，提高检测的准确度和灵敏度，也能使人的肉眼更好的分辨荧光颜色的变化，提高可视化检测的精准度。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，本申请提供了一种检测方便、稳定的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，并提供了所述微传感器在实现可视化定性检测葡萄糖和仪器定量检测葡萄糖中的应用。
技术方案：本发明所述的一种针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，包括微流控芯片，所述微流控芯片包括芯片上层和芯片基质衬底，以及设置在芯片上层和芯片基质衬底之间的检测腔，所述检测腔两端分别连通流体入口和流体出口；所述检测腔内合成有用于检测葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶C/CdTe-GOx。
其中，所述芯片上层与芯片基质衬底相邻两层间结合方式为不可逆的等离子体氧化粘结或高分子材料粘结。
进一步的，所述检测腔内的C/CdTe-GOx气凝胶由发射红色荧光的碲化镉量子点CdT eQDs、发射绿色荧光的碳点CDs和葡萄糖氧化酶GOx通过冷冻干燥法制成。
具体的，所述C/CdTe-GOx气凝胶的制备方法包括以下步骤：
(1)利用水相合成法将2.5水合氯化镉、硼氢化钠、谷胱甘肽、亚碲酸钠合成为CdTeQDs溶液，并将其提纯作为CdTe QDs原液；
(2)利用水热法将柠檬三酸乙酯和乙二胺合成CDs溶液，并将其提纯作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液稀释1～3倍和步骤(2)的CDs原液稀释1～3倍并按照体积比1：0.5～4混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片冷冻干燥得到C/CdTe-GOx气凝胶。
其中，步骤(1)中，所述CdTe QDs原液的制备方法包括以下步骤：
1)称取0.1-0.5g CdCl2·2.5H2O与0.1-0.5g L-GSH，溶于40-70mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，将溶液pH值调为9.5-11.5；
2)称取0.02-0.04g Na2TeO3与0.001-0.006g NaBH4，溶于步骤1)溶液中搅拌，将混合溶液在100-120℃下加热5-10h得到CdTe QDs溶液；
3)将步骤2)的CdTe QDs溶液与异丙醇按照2～5：1的体积比混合，之后以4000-8000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于2-5mL超纯水中作为CdTe QDs原液。
步骤(2)中，所述CDs原液的制备方法包括以下步骤：称取5-10g柠檬三酸乙酯和3-6g乙二胺，混合并搅拌10-30min，然后在烘箱中以150-200℃加热4-10h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻5-48h，随后放入冷冻干燥机中冻干10-20h，将得到的粉末溶于5-10mL超纯水中作为CDs原液。
步骤(3)中，所述将步骤(1)的CdTe QDs原液稀释1～3倍，步骤(2)的CDs原液稀释1～3倍之后再按照体积比1：0.5～4混合。
步骤(4)中，所述冷冻干燥是指将微流控芯片放入-20℃冷冻2-48h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥1-8h即可。
所述微传感器在葡萄糖可视化定性检测和定量检测中的应用也在本发明的保护范围内。
其中，所述葡萄糖可视化定性检测包括以下步骤：将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成不同浓度的葡萄糖溶液,并通过注微量进样器往检测腔内注入一定量(1-2μL)各种浓度的葡萄糖溶液，5-10min后用350～380nm紫外灯照射芯片观察其荧光颜色，根据葡萄糖溶液的浓度不同，芯片所发出的荧光颜色不同。
所述葡萄糖定量检测包括以下步骤：将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成不同浓度的葡萄糖溶液,并通过注微量进样器往检测腔内注入一定量(1-2μL)各种浓度的葡萄糖溶液，3～5min后用350～380nm紫外灯照射芯片并拍摄得到荧光图像，读取荧光图像的RGB值并计算其平均R/G值，根据R/G值与葡萄糖溶液浓度绘制传感器检测葡萄糖的检测特性曲线。
本发明未提及的技术均可采用现有技术实现。
工作原理：为了构建C/CdTe-GOx气凝胶微传感器，我们在微流控芯片内制备了三维多孔的C/CdTe-GOx气凝胶，该气凝胶由发射红色荧光的CdTe QDs和发射绿色荧光的CDs构成，但是由于CdTe QDs的荧光强度大大超过CDs，所以在350～380nm的紫外光激发下该气凝胶整体会发出红色的荧光。当加入葡萄糖后，葡萄糖会在GOx的作用下氧化分解产生H2O2，H2O2会淬灭CdTe QDs的红色荧光，而H2O2对CDs的绿色荧光却没有作用，因此随着葡萄糖浓度的增加，红色荧光强度逐渐下降，而绿色荧光的荧光强度没有变化，红色与绿色就会融合显示出不同的颜色，整个传感器的荧光颜色就会随着葡萄糖浓度的增加显示出从红色经黄色向绿色转变的过程，进而实现可视化定性检测。同时，随着红色荧光强度的下降和绿色荧光强度不变，传感器的整体荧光颜色的RGB值就会发生改变，特别是其中R值下降，G值不变则会使R/G的值下降，通过检测R/G的值就能间接检测出葡萄糖的浓度。
有益效果：本发明针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，能让人肉眼分辨出不同浓度的葡萄糖溶液，其在350～380nm紫外灯照射下发射的荧光图像，随着葡萄糖浓度增高会从红色往绿色转变；通过仪器读取荧光图像的RGB值，也能实现高灵敏度的定量分析。
附图说明
图1为本发明的横截面示意图，其中：100芯片上层、101流体入口、102流体出口、201检测腔、300基质衬底；
图2为本发明的结构示意图；
图3为本发明的气凝胶形貌图；
图4为各种浓度葡萄糖溶液产生的荧光淬灭程度图，其中a，b，c，d，e，f，g分别为通入0mM，4.3mM，6.3mM，8.7mM，10.8mM，13mM，26mM的葡萄糖溶液反应的荧光淬灭程度；
图5为微传感器检测葡萄糖工作曲线图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本申请作出详细说明。
实施例1
如图1和图2所示的一种针对葡萄糖的双色比率型C/CdTe-GOx气凝胶微传感器，包括微流控芯片本体，微流控芯片包括芯片上层100与芯片基质衬底300、检测腔201、流体入口101和流体出口102,流体入口101和流体出口102设在芯片层100上，检测腔201设在芯片层100与芯片基质衬底层300之间，检测腔201两端分别与流体入口101、流体出口102相通；检测腔201内设有用于检测葡萄糖的量子点气凝胶；芯片层100材料为聚二甲基硅氧烷、UV树脂或聚甲基丙烯酸甲酯；基质衬底材料为玻璃、硅片或石英；芯片层100与基质衬底层300通过不可逆的等离子体氧化粘结或高分子材料粘结。
上述针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶传感器的C/CdTe-GPx气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.1208g CdCl2·2.5H2O与0.1944g L-GSH，将它们溶于55mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，并对其进行调pH值，将溶液pH值调为10.5；称取0.0333g Na2TeO3与0.0051g NaBH4，溶于之前的溶液中，搅拌半小时，将混合溶液在115℃下加热6h得到CdTeQDs溶液，将CdTe QDs溶液与异丙醇按照3：1的体积比混合，之后以6000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于3mL超纯水中作为CdTe QDs原液；
(2)称取7.5g柠檬三酸乙酯和4.1g乙二胺，将其混合并搅拌20min，然后在烘箱中以180℃加热5h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻24h，随后放入冷冻干燥机中冻干10h，将得到的粉末溶于8mL超纯水中作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液和步骤(2)的CDs原液分别稀释2倍和1倍并按照体积比1：1混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片放入冰箱中以-20℃冷冻24h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥4h，得到C/CdTe-GOx气凝胶。
制备所得C/CdTe-GOx气凝胶放入365nm紫外灯下发出红色荧光，说明量子点成功合成。取部分所得C/CdTe-GOx气凝胶，滴入少量葡萄糖溶液后再放入365nm紫外灯下，荧光颜色变为绿色，说明C/CdTe-GOx气凝胶成功合成。结果如图3所示，其中图3(a)为传感器流道照片(从左往右：日光灯下、365nm紫外灯下、通入不同浓度葡萄糖溶液后在365nm紫外灯下)；图3(b)为C/CdTe-GOx气凝胶SEM图；由此可见，所制得的量子点气凝胶为三维多孔纤维状结构。这种结构为葡萄糖氧化酶提供了良好的反应环境，并且有着较大的比表面积，加快了反应速率。
实施例2制备所得微传感器在葡萄糖可视化定性检测中的应用
将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成0mM，4.3mM，6.3mM，8.7mM，10.8mM，13mM，26mM的葡萄糖溶液，并通过注微量进样器往检测腔内注入1.4μL各种浓度的葡萄糖溶液，5min后用365nm紫外灯照射芯片观察其荧光颜色，根据葡萄糖溶液的浓度不同，芯片所发出的荧光颜色不同，如图4所示。
实施例3制备所得微传感器在葡萄糖定量检测中的应用
将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成0mM，4.3mM，6.3mM，8.7mM，10.8mM，13mM，26mM的葡萄糖溶液，并通过注微量进样器往检测腔内注入1.4μL各种浓度的葡萄糖溶液，5min后用365nm紫外灯照射芯片并拍摄其荧光图像，读取荧光图像的RGB值并计算其平均R/G值，以R/G值作为纵坐标，葡萄糖浓度C作为横坐标，用origin9拟合得到如图5的微传感器检测葡萄糖工作曲线。
实施例4
针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶传感器的C/CdTe-GPx气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.2g CdCl2·2.5H2O与0.2g L-GSH，将它们溶于50mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，并对其进行调pH值，将溶液pH值调为10；称取0.02g Na2TeO3与0.001g NaBH4，溶于之前的溶液中，搅拌半小时，将混合溶液在100℃下加热8h得到CdTe QDs溶液，将CdTeQDs溶液与异丙醇按照2：1的体积比混合，之后以4000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于2mL超纯水中作为CdTe QDs原液；
(2)称取5g柠檬三酸乙酯和3g乙二胺，将其混合并搅拌15min，然后在烘箱中以150℃加热4h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻10h，随后放入冷冻干燥机中冻干10h，将得到的粉末溶于5mL超纯水中作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液和步骤(2)的CDs原液分别稀释2倍和1倍并按照体积比1：1混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片放入冰箱中以-20℃冷冻8h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥2h，得到C/CdTe-GOx气凝胶。
实施例5
针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶传感器的C/CdTe-GPx气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.5g CdCl2·2.5H2O与0.5g L-GSH，将它们溶于70mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，并对其进行调pH值，将溶液pH值调为11.5；称取0.04g Na2TeO3与0.006g NaBH4，溶于之前的溶液中，搅拌半小时，将混合溶液在120℃下加热5h得到CdTe QDs溶液，将CdTeQDs溶液与异丙醇按照5：1的体积比混合，之后以7000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于5mL超纯水中作为CdTe QDs原液；
(2)称取10g柠檬三酸乙酯和6g乙二胺，将其混合并搅拌30min，然后在烘箱中以200℃加热10h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻48h，随后放入冷冻干燥机中冻干20h，将得到的粉末溶于10mL超纯水中作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液和步骤(2)的CDs原液分别稀释2倍和1倍并按照体积比1：1混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片放入冰箱中以-20℃冷冻48h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥8h，得到C/CdTe-GOx气凝胶。
实施例6
针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶传感器的C/CdTe-GPx气凝胶制备方法，包括以下步骤：
(1)称取0.3g CdCl2·2.5H2O与0.3g L-GSH，将它们溶于60mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，并对其进行调pH值，将溶液pH值调为11；称取0.03g Na2TeO3与0.0035g NaBH4，溶于之前的溶液中，搅拌半小时，将混合溶液在110℃下加热7h得到CdTe QDs溶液，将CdTeQDs溶液与异丙醇按照4：1的体积比混合，之后以8000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于4mL超纯水中作为CdTe QDs原液；
(2)称取8g柠檬三酸乙酯和4g乙二胺，将其混合并搅拌20min，然后在烘箱中以180℃加热4h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻24h，随后放入冷冻干燥机中冻干12h，将得到的粉末溶于8mL超纯水中作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液和步骤(2)的CDs原液分别稀释2倍和1倍并按照体积比1：1混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片放入冰箱中以-20℃冷冻36h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥12h，得到C/CdTe-GOx气凝胶。
Claims (9)
1.一种针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，包括微流控芯片，其特征在于，所述微流控芯片包括芯片上层(100)和芯片基质衬底(300)，以及设置在芯片上层(100)和芯片基质衬底(300)之间的检测腔(201)，所述检测腔(201)两端分别连通流体入口(101)和流体出口(102)；所述检测腔(201)内合成有用于检测葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶C/CdTe-GOx。
2.根据权利要求1所述的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，其特征在于，所述检测腔内的C/CdTe-GOx气凝胶由发射红色荧光的碲化镉量子点CdTe QDs、发射绿色荧光的碳点CDs和葡萄糖氧化酶GOx通过冷冻干燥法制成。
3.根据权利要求1所述的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，其特征在于，所述C/CdTe-GOx气凝胶的制备方法包括以下步骤：
(1)利用水相合成法将2.5水合氯化镉、硼氢化钠、谷胱甘肽、亚碲酸钠合成为CdTe QDs溶液，并将其提纯作为CdTe QDs原液；
(2)利用水热法将柠檬三酸乙酯和乙二胺合成CDs溶液，并将其提纯作为CDs原液；
(3)将步骤(1)的CdTe QDs原液稀释1～3倍和步骤(2)的CDs原液稀释1～3倍后，按照体积比1：0.5～4混合后加入GOx，将混合溶液通入微流控芯片检测腔；
(4)将微流控芯片冷冻干燥得到C/CdTe-GOx气凝胶。
4.根据权利要求3所述的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，其特征在于，步骤(1)中，所述CdTe QDs原液的制备方法包括以下步骤：
1)称取0.1-0.5g CdCl2·2.5H2O与0.1-0.5g L-GSH，溶于40-70mL超纯水中，利用磁子进行搅拌，将溶液pH值调为9.5-11.5；
2)称取0.02-0.04g Na2TeO3与0.001-0.006g NaBH4，溶于步骤1)溶液中搅拌，将混合溶液在100-120℃下加热5-10h得到CdTe QDs溶液；
3)将步骤2)的CdTe QDs溶液与异丙醇按照2～5：1的体积比混合，之后以4000-8000rpm的转速离心得到沉淀，将沉淀再溶于超纯水中作为CdTe QDs原液。
5.根据权利要求3所述的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，其特征在于，步骤(2)中，所述CDs原液的制备方法包括以下步骤：称取5-10g柠檬三酸乙酯和3-6g乙二胺，混合并搅拌10-30min，然后在烘箱中以150-200℃加热4-10h，再将得到的溶液放入冰箱中以-20℃冷冻5-48h，随后放入冷冻干燥机中冻干10-20h，将得到的粉末溶于5-10mL超纯水中作为CDs原液。
6.根据权利要求3所述的针对葡萄糖的双色比率型量子点气凝胶微传感器，其特征在于，步骤(4)中，所述冷冻干燥是指将微流控芯片放入-20℃冷冻2-48h，冷冻完后取出放置在冷冻干燥机中冷冻干燥1-8h即可。
7.权利要求1-6中任一所述微传感器在葡萄糖可视化定性检测和定量检测中的应用。
8.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述葡萄糖可视化定性检测包括以下步骤：将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成不同浓度的葡萄糖溶液，并通过注微量进样器往检测腔内注入各种浓度的葡萄糖溶液，用350～380nm紫外灯照射芯片观察其荧光颜色，根据葡萄糖溶液的浓度不同，芯片所发出的荧光颜色不同。
9.根据权利要求7所述的应用，其特征在于，所述葡萄糖定量检测包括以下步骤：将葡萄糖与PBS缓冲液混合制成不同浓度的葡萄糖溶液，并通过注微量进样器往检测腔内注入各种浓度的葡萄糖溶液，用350～380nm紫外灯照射芯片并拍摄得到荧光图像，读取荧光图像的RGB值并计算其平均R/G值，根据R/G值与葡萄糖溶液浓度绘制传感器检测葡萄糖的检测特性曲线。
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