CN111208090A - 一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的spr传感器和芯片 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器和芯片，属于表面等离子共振(SPR)技术、高分子材料、SPR活性层薄膜制备的交叉技术领域，该传感器包括依次设置的玻璃棱镜和SPR传感器芯片，该SPR传感器芯片由上至下依次由铬膜、金属膜、活性层膜组成；本发明所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器对传统金属膜的特点进行改进，镀金属膜前在棱镜全反射面增覆铬膜，同时在金属膜表面增覆壳聚糖‑碳点膜，利用壳聚糖碳点对2,3‑二氨基吩嗪的强吸附作用，实现重金属铜离子的高灵敏特异性检测。
Description
技术领域
本发明涉及表面等离子共振(SPR)技术、高分子材料、SPR活性层薄膜制备的交叉技术领域，特别是涉及一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器和芯片。
背景技术
铜是人体内的必要微量元素，摄入不足将会影响人体正常的生理功能，过量摄入将引起人们的重金属中毒，造成人体肝脏、肾脏等器官的损伤，以及造成一些疾病，比如：Wilson’s病。正常人体中约90％的铜离子经胆汁排泄。当人体摄入过量的铜离子时，铜离子不能有效地经胆汁排泌，导致其在肝细胞内蓄积，通过氧应激损伤等方式损伤线粒体等细胞，进而引起肝细胞脂肪病变、坏死与凋亡。肝细胞破坏后游离铜释放入血可引起其他器官损伤。另外，未与铜离子结合的铜蓝蛋白在血液中半衰期缩短，导致Wilson’s病患者的血铜蓝蛋白下降。为了人们的健康生活，铜离子的痕量检测显得尤为重要，开展铜离子的高灵敏度、特异性检测方法及传感机理研究具有重要意义。
我们国家的饮用水标准规定水中二价铜离子的含量低于20μM，美国和欧盟的饮用水标准规定水中二价铜离子的含量分别低于20μM和30μM。因此，食品和环境中的铜离子检测是确保人们健康的重要手段之一，对食品和环境中的痕量铜离子检测具有重要意义，所以人们开展了铜离子检测的深入研究。
重金属铜离子含量的检测方法主要有原子吸收光谱法、原子发射光谱法、原子荧光光谱法、质谱法、酶抑制法和电化学分析检测法等。这些传统的仪器分析测试方法有各自的优点，但是操作繁琐、费时、灵敏性不高，特异性检测方面有待进一步提高，也不能应用于现场分析检验，一直困扰目前重金属铜离子的检测。
SPR传感技术属于光学检测方法，最早由Wood等人于上世纪初提出，并在上世纪80年代首次被运用于气体和生物传感领域，与传统的检测方法相比具有免标记、灵敏度高、快速响应、实时监测等优点。棱镜型SPR的典型模型是一个全反射棱镜，全反射表面镀有一层或多层金属膜，当光信号在全反射面的入射角大于临界角时，光信号发生全反射，在此条件下，光信号的p偏振光在棱镜全反射面与金属膜的分界面向金属膜介质传输光信号，该光信号即为倏逝波，其振幅呈指数衰减，导致金属介质中的自由电子形成表面等离子波。如果调整光信号的入射角或波长为某一数值时，表面等离子波的频率与倏逝波的波数相等，它们将发生能量耦合，产生共振，随即入射光信号的能量被吸收，发射光强相应降低，此时在反射光谱出现共振峰，对应的入射角称之为共振角。SPR传感技术分为角度调制、波长调制和强度调制等类型，凭借SPR独特的优点，SPR传感技术在各个领域受到越来越广泛的青睐，在食品安全的重金属离子和农药残留、环境监测方面具有很大的优越性。
现有棱镜SPR传感器结构繁杂多样，各有各自的特点，其共同特点均是利用金属膜(金或银膜)表面修饰一层薄膜，用于对某一种或某几种物质的高选择性有效吸附。但现有的棱镜SPR传感器存在较多不足，例如：有的检测耗时比较长，有的修饰膜不牢固、在溶液中易溶胀，有的膜层很多，制备过程过于复杂。
中国专利文献号CN102621104A，公开日2012.08.01，公开了一种基于石墨烯薄膜增敏的D型光纤传感器，该传感器包括D型光纤，在D型光纤的抛光面具有银膜层，在银膜层表面具有石墨烯薄膜层。该方法利用银膜表面沉积或生长石墨烯薄膜材料来增加该SPR传感结构的灵敏度，但是石墨烯薄膜对生物分子的固定稳定性及非特异性吸附控制都还不如金、银膜表面制备技术成熟。
中国专利文献号CN109883999A，公开日2019.06.14，公开了一种对铜离子特异性检测的棱镜SPR重金属离子传感器，该发明在芯片的载体基片表面与其金属膜之间增覆磁性TiO2膜；金属膜的另一表面增覆有磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜。该方法磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖修饰膜产生磁吸力以提高修饰膜的牢固程度，但是磁性聚苯胺纳米粒子因为存在磁性所以影响均匀性的控制，在薄膜上的均匀性控制有难度，从而导致薄膜对传感器性能产生影响，而且薄膜结构比较复杂、制备工艺比较繁琐，工艺控制要求高。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器和芯片，以解决上述现有技术存在的问题。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
本发明提供一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，金属膜表面增覆分子敏感膜，所述金属膜的另一表面增覆铬膜，所述分子敏感膜为活性层膜。
进一步地，所述金属膜为金膜或银膜。
银膜或金膜用于产生SPR，可通过优化银膜或金膜的厚度，以提高传感器芯片检测重金属离子的灵敏度。
进一步地，所述银膜的厚度为25-45nm；所述金膜的厚度为10-20nm。
进一步地，所述银膜、金膜的增覆方式采用：真空溅镀膜、磁控溅射镀膜或离子源辅助电子束蒸镀。
更进一步地，在本发明较佳的实施例中，所述银膜采用真空溅镀膜方式增覆，所述金膜采用磁控溅射镀膜方式增覆。
进一步地，所述铬膜的厚度为3-5nm。
更进一步地，所述铬膜的增覆方式为脉冲沉积。
进一步地，所述活性层膜为壳聚糖-碳点膜，所述壳聚糖-碳点膜是在配制好的壳聚糖溶液中缓慢撒入碳点，超声搅拌5-20min，通过旋涂法涂膜；其中，所述壳聚糖溶液与碳点的体积质量比为30mL：0.5-10g；所述壳聚糖-碳点膜的厚度为30-50nm，所述壳聚糖-碳点膜的增覆方式为离子源辅助电子束蒸镀。
进一步地，所述壳聚糖溶液是将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖溶解于盐酸溶液中，至其完全溶解，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
进一步地，所述壳聚糖与京尼平的质量比为100:3-15；所述盐酸溶液的浓度为0.2-2mol/L。
进一步地，所述碳点是将分子量5-40万、脱乙酰度90-95％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水加入聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃下反应5-20h，冷却至室温，用去离子水透析15-24h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
进一步地，所述壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水的质量比为1-1.5:1:40-60。
本发明还提供一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，包括依次设置的玻璃棱镜以及上述的SPR传感器芯片，所述玻璃棱镜设置于所述铬膜表面。
在应用本发明的SPR传感器检测溶液中的重金属离子之前，往待测溶液中滴入NaOH溶液，调至pH值为9-10，同时以待测重金属离子溶液与邻苯二胺溶液1:1的体积比加入邻苯二胺溶液，如果待测溶液中存在二价铜离子，则邻苯二胺将被二价铜离子氧化成2,3-二氨基吩嗪，SPR传感器金属膜表面的活性层膜上的壳聚糖碳点对2,3-二氨基吩嗪产生强吸附作用，从而快速且高灵敏的改变SPR光谱信号，实现重金属铜离子的特异性检测。
本发明公开了以下技术效果：
本发明碳点粉末不存在磁性所以不影响薄膜的均匀性，制备工艺流程也比较简单，易实现，活性层膜具有更好的稳定性。另外，采用了京尼平交联剂，相比戊二醛交联剂，细胞毒性显著降低，交联物的稳定性更好。
本发明所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器对传统金属膜的特点进行改进，镀金属膜前在棱镜全反射面增覆铬膜，同时在金属膜表面增覆壳聚糖-碳点膜，利用壳聚糖碳点对2,3-二氨基吩嗪的强吸附作用，实现高灵敏高特异性检测。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器的示意图；
其中，1-用于激发SPR的全反射棱镜；2-铬膜；3-金属膜；4-活性层膜。
具体实施方式
现详细说明本发明的多种示例性实施方式，该详细说明不应认为是对本发明的限制，而应理解为是对本发明的某些方面、特性和实施方案的更详细的描述。
应理解本发明中所述的术语仅仅是为描述特别的实施方式，并非用于限制本发明。另外，对于本发明中的数值范围，应理解为还具体公开了该范围的上限和下限之间的每个中间值。在任何陈述值或陈述范围内的中间值以及任何其他陈述值或在所述范围内的中间值之间的每个较小的范围也包括在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包括或排除在范围内。
除非另有说明，否则本文使用的所有技术和科学术语具有本发明所述领域的常规技术人员通常理解的相同含义。虽然本发明仅描述了优选的方法和材料，但是在本发明的实施或测试中也可以使用与本文所述相似或等同的任何方法和材料。本说明书中提到的所有文献通过引用并入，用以公开和描述与所述文献相关的方法和/或材料。在与任何并入的文献冲突时，以本说明书的内容为准。
在不背离本发明的范围或精神的情况下，可对本发明说明书的具体实施方式做多种改进和变化，这对本领域技术人员而言是显而易见的。由本发明的说明书得到的其他实施方式对技术人员而言是显而易见得的。本申请说明书和实施例仅是示例性的。
关于本文中所使用的“包含”、“包括”、“具有”、“含有”等等，均为开放性的用语，即意指包含但不限于。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
实施例1
如图1所示，一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，包括依次设置的玻璃棱镜1和SPR传感器芯片，该SPR传感器芯片由上至下依次由铬膜2、金膜3、活性层膜4组成。
其中，在SPR玻璃棱镜1的全反射面，采用脉冲沉积技术制备铬膜2，铬膜2厚度4nm；采用真空溅镀的方法在SPR玻璃棱镜1的铬膜2表面增覆厚度为15nm的金膜3；然后采用旋涂法在金膜3表面增覆厚度为40nm的活性层膜4。
其中，活性层膜为壳聚糖-碳点膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备碳点：将分子量35万、脱乙酰度95％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水按照13:1:50的质量比加入聚四氟乙烯反应釜中，在190℃下反应15h，冷却至室温，用去离子水透析20h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
(2)制备壳聚糖溶液：将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖1.9g溶解于1mol/L的盐酸溶液，至其完全溶解，然后按照壳聚糖与京尼平100:9的比例，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
(3)制备壳聚糖-碳点膜：取步骤(2)配制好的壳聚糖溶液30mL，在溶液中缓慢撒入步骤(1)制备的碳点5g，同时用超声搅拌13min，然后采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面的金膜表面制备具有大量壳聚糖碳点的活性层膜，得到利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器。
实施例2
如图1所示，一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，包括依次设置的玻璃棱镜1和SPR传感器芯片，该SPR传感器芯片由上至下依次由铬膜2、银膜3、活性层膜4组成。
其中，在SPR玻璃棱镜1的全反射面，采用脉冲沉积技术制备铬膜2，铬膜2厚度3nm；采用真空溅镀的方法在SPR玻璃棱镜1的铬膜2表面增覆厚度为35nm的银膜3；然后采用旋涂法在银膜3表面增覆厚度为40nm的活性层膜4。
其中，活性层膜为壳聚糖-碳点膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备碳点：将分子量35万、脱乙酰度95％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水按照13:1:50的质量比加入聚四氟乙烯反应釜中，在190℃下反应15h，冷却至室温，用去离子水透析20h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
(2)制备壳聚糖溶液：将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖1.9g溶解于1mol/L的盐酸溶液，至其完全溶解，然后按照壳聚糖与京尼平100:9的比例，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
(3)制备壳聚糖-碳点膜：取步骤(2)配制好的壳聚糖溶液30mL，在溶液中缓慢撒入步骤(1)制备的碳点5g，同时用超声搅拌13min，然后采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面的银膜表面制备具有大量壳聚糖碳点的活性层膜，得到利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器。
实施例3
如图1所示，一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，包括依次设置的玻璃棱镜1和SPR传感器芯片，该SPR传感器芯片由上至下依次由铬膜2、金膜3、活性层膜4组成。
其中，在SPR玻璃棱镜1的全反射面，采用脉冲沉积技术制备铬膜2，铬膜2厚度2nm；采用真空溅镀的方法在SPR玻璃棱镜1的铬膜2表面增覆厚度为12nm的金膜；然后采用旋涂法在金膜3表面增覆厚度为45nm的活性层膜4。
其中，活性层膜为壳聚糖-碳点膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备碳点：将分子量10万、脱乙酰度91％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水按照14:1:45的质量比加入聚四氟乙烯反应釜中，在185℃下反应18h，冷却至室温，用去离子水透析18h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
(2)制备壳聚糖溶液：将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖2.5g溶解于0.5mol/L的盐酸溶液，至其完全溶解，然后按照壳聚糖与京尼平100:5的比例，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
(3)制备壳聚糖-碳点膜：取步骤(2)配制好的壳聚糖溶液30mL，在溶液中缓慢撒入步骤(1)制备的碳点8g，同时用超声搅拌7min，然后采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面金膜表面制备具有大量壳聚糖碳点的活性层膜，得到利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器。
实施例4
如图1所示，一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，包括依次设置的玻璃棱镜1和SPR传感器芯片，该SPR传感器芯片由上至下依次由铬膜2、金膜3、活性层膜4组成。
其中，在SPR玻璃棱镜1的全反射面，采用脉冲沉积技术制备铬膜2，铬膜2厚度5nm；采用真空溅镀的方法在SPR玻璃棱镜1的铬膜2表面增覆厚度为18nm的金膜3；然后采用旋涂法在金膜3表面增覆厚度为35nm的活性层膜4。
其中，活性层膜为壳聚糖-碳点膜，其制备方法包括以下步骤：
(1)制备碳点：将分子量30万、脱乙酰度94％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水按照1.1:1:55的质量比加入聚四氟乙烯反应釜中，在195℃下反应8h，冷却至室温，用去离子水透析23h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
(2)制备壳聚糖溶液：将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖0.8g溶解于1.5mol/L的盐酸溶液，至其完全溶解，然后按照壳聚糖与京尼平100:14的比例，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
(3)制备壳聚糖-碳点膜：取步骤(2)配制好的壳聚糖溶液30mL，在溶液中缓慢撒入步骤(1)制备的碳点0.9g，同时用超声搅拌18min，然后采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面金膜表面制备具有大量壳聚糖碳点的活性层膜，得到利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器。
以上所述的实施例仅是对本发明的优选方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (10)
1.一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，金属膜表面增覆分子敏感膜，所述金属膜的另一表面增覆铬膜，所述分子敏感膜为活性层膜。
2.根据权利要求1所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述金属膜为金膜或银膜。
3.根据权利要求2所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述银膜的厚度为25-45nm；所述金膜的厚度为10-20nm。
4.根据权利要求1所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述铬膜的厚度为3-5nm。
5.根据权利要求1所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述活性层膜为壳聚糖-碳点膜，所述壳聚糖-碳点膜是在配制好的壳聚糖溶液中缓慢撒入碳点，超声搅拌5-20min，通过旋涂法涂膜；其中，所述壳聚糖溶液与碳点的体积质量比为30mL：0.5-10g；所述壳聚糖-碳点膜的厚度为30-50nm。
6.根据权利要求5所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述壳聚糖溶液是将分子量30万以上、脱乙酰度90％以上的壳聚糖溶解于盐酸溶液中，至其完全溶解，加入京尼平溶液，搅拌至壳聚糖溶液完全交联。
7.根据权利要求6所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述壳聚糖与京尼平的质量比为100:3-15；所述盐酸溶液的浓度为0.2-2mol/L。
8.根据权利要求5所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述碳点是将分子量5-40万、脱乙酰度90-95％的壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水加入聚四氟乙烯反应釜中，在180-200℃下反应5-20h，冷却至室温，用去离子水透析15-24h，冷冻干燥至碳点粉末，置于4℃保存备用。
9.根据权利要求8所述的利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器芯片，其特征在于，所述壳聚糖、二氨基乙烷和去离子水的质量比为1-1.5:1:40-60。
10.一种利用壳聚糖碳点检测重金属离子的SPR传感器，其特征在于，包括依次设置的玻璃棱镜以及权利要求1-9中任一项所述的SPR传感器芯片，所述玻璃棱镜设置于所述铬膜表面。
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| CN115007113A (zh) * | 2021-03-03 | 2022-09-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种掺杂碳点的壳聚糖膜及其制备与应用 |
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2020
- 2020-03-11 CN CN202010164494.2A patent/CN111208090A/zh active Pending
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| CN115007113A (zh) * | 2021-03-03 | 2022-09-06 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种掺杂碳点的壳聚糖膜及其制备与应用 |
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