CN111504941B - 一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台 - Google Patents

Abstract

本发明属于太赫兹生物医学检测技术领域，具体涉及一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，所述技术平台由全反射棱镜、水凝胶成型部件和盖片组成，所述水凝胶成型部件位于全反射棱镜表面，并嵌入所述盖片下表面的凹槽内形成反应池，所述盖片上还设置有进样口和出样口，进样口和出样口均通过微流道与反应池连通。还提供了利用所述技术平台评估响应性水凝胶响应性特征的方法。本发明技术平台可直接在全反射棱镜表面聚合成水凝胶网络，获取宽频谱范围内水凝胶的THz本征信号，实现水凝胶的实时、连续表征，减少外界环境变化的干扰，为水凝胶体系的优化提供准确、丰富的数据支撑，有助于提高检测通量。

Description

一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射 技术平台

技术领域

本发明属于太赫兹生物医学检测技术领域，具体涉及一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台。

背景技术

太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率为0.1THz-10THz的电磁波，是当前生物医学与物理学交叉研究的前沿热点。太赫兹衰减全反射技术是通过波在棱镜表面发生全反射时所产生的倏逝波获取棱镜表面数十微米范围内样本的复介电常数信息。由于THz波对水分子极其敏感(室温下水在ITHz处吸收约为230cm^-1),微弱的水含量变化即可引起明显的THz信号改变。因此，利用THz波具有可探测分子间弱相互作用力、骨架振动和偶极子旋转等的优势，同时具有对物质水含量变化的敏感响应性。

响应性水凝胶是一类具有高含水量和三维网状结构的聚合物，其对特异的环境刺激(如pH、温度、光、压力等)产生相应的物理结构和化学性质变化，表现出显著的溶胀收缩行为或凝胶溶胶相变，宏观体现为凝胶体积和含水量的变化，已被广泛应用于生物传感、药物递送和组织工程等领域。为制备出适应不同应用场景的水凝胶，需着重考虑共聚单体类型、合成条件和交联密度等因素对水凝胶性质的影响，其中交联密度是影响水凝胶功能的关键性因素。例如响应性水凝胶用于生物传感时表现出显著的尺寸依赖性，需优化交联密度动态变化程度，若凝胶结构性孔径尺寸与靶标分子和信号报告分子不匹配，将严重妨碍传感性能；在药物递送和缓释中，交联密度同样是影响载药水凝胶的药物包埋和释放过程的重要因素，特别是胰岛素等智能缓释，需要合适尺度的凝胶孔径变化范围以减少药物在非作用部位的外泄并控制靶部位的释放速度。因此，开发出有效的凝胶响应特征表征平台对于制备符合不同需求的水凝胶具有重要的现实指导意义。

随着研究的不断深入，表征水凝胶性能的技术平台种类繁多，大致可分为有标记和无标记表征技术。目前有标记表征技术主要是以酶学、纳米金等包封入凝胶网络的方式表征凝胶的溶胀或解聚性能，通过检测在引入靶标分子引起凝胶网络溶胀后释放进入外层液体的包封分子以间接表征凝胶响应过程中的交联密度变化，存在包封分子干扰凝胶网络交联、分散不均匀等问题，难以真实还原凝胶网络交联状态的动态变化过程。凝胶的无标记表征技术同样存在缺陷，例如原子力显微镜虽可通过测量凝胶的黏弹性来表征交联密度，并可获得凝胶表面纳米级的结构信息，但这类测量对操作、硬件等要求很高，对于一般的水凝胶表征来说成本太过高昂；基于干涉法的光学平台通过凝胶薄膜的光程差计算凝胶响应过程引起的宏观体积变化，其局限性在于强烈依赖薄膜表面条件且对薄膜倾角变化敏感，造成测量精度欠佳；直接观察凝胶网络结构特征的电镜技术分辨率高达0，1-0·2nm，可观察亚显微结构，但存在样品制备过程复杂、仪器昂贵、需要专业操作人员等不足；此外，有研究利用水在THz波段强烈吸收特点和响应性水凝胶与靶分子特征反应过程的水含量变化特性，将响应性水凝胶修饰与THz超材料芯片上以实现靶分子的液相传感，但是由于需要对超材料芯片表面进行预处理，操作复杂，耗时较长，并且该方法仅能获得太赫兹信号的相对变化强度和固定频段处的响应情况，难以准确获得凝胶网络在宽THz波段范围内的THz复介电常数的绝对值。基于目前表征平台的不足，迫切需要设计出新的表征平台与现有技术手段互补。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术(THz-ATR)平台及检测方法，可以实时、连续监测多通道水凝胶的响应特征，准确评估水凝胶网络的交联密度及内部分子的水化状态和其弱相互作用模式的变化，为现有表征手段提供有效补充，另外，还提供了基于该太赫兹衰减全反射技术平台评估响应性水凝胶响应性特征的方法。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

1、一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，包括全反射棱镜、水凝胶成型部件和盖片；所述水凝胶成型部件位于所述全反射棱镜表面，且嵌入所述盖片下表面设置的凹槽内，形成反应池；所述盖片上还设置有进样口和出样口，所述进样口和出样口均通过微流道与所述反应池连通，且所述微流道远离进样口和出样口的端面均位于所述水凝胶成型部件上方；所述水凝胶成型部件呈中空筒体，其截面能容纳面积为6.25mm²的圆形检测区。

作为优选的技术方案之一，所述水凝胶成型部件筒体高度大于100um，所述水凝胶成型部件材料为聚乙烯、苯乙烯丙烯腈共聚物或聚二甲基硅氧烷中的一种。

作为进一步优选方案之一，所述水凝胶成型部件筒体高度为0.5mm所述水凝胶成型部件材料为聚乙烯。

作为优选的技术方案之一，所述盖片的材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或环烯烃类共聚物中的一种。

作为进一步优选方案之一，所述盖片的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

作为优选的技术方案之一，所述水凝胶成型部件个数大于等于1。

作为优选的技术方案之一，所述进样孔和出样孔在所述盖片上表面和/或侧面。

作为进一步优选方案之一，所述进样孔和出样孔在所述盖片上表面。

作为优选的技术方案之一，所述进样孔和出样孔的直径均为0.6mm。

2、一种评估响应性水凝胶响应特征的方法，所述方法如下：先将预聚合液加入水凝胶成型部件中，聚合形成水凝胶，此时将所述水凝胶成型部件嵌入盖片下表面设置的凹槽内，形成反应池，再将待测生物样本从所述盖板上设置的进样孔加入，流经所述反应池后从盖板上设置的出样孔流出，最后进行THz光谱检测。

作为优选的技术方案之一，所述预聚合液包括主聚物、诱发剂、交联剂、敏感响应元件。

作为优选的技术方案之一，所述主聚物为N-羟乙基丙烯酰胺(HEAA)、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯或聚乙二醇丙烯酸酯类衍生物中的一种。

作为进一步优选方案之一，所述主聚物为N-羟乙基丙烯酰胺。

作为优选的技术方案之一，所述交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺(BISAA)、戊二醛、二甲基丙烯酸乙二醇酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯衍生物中的一种。

作为进一步优选方案之一，所述交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺。

作为优选的技术方案之一，所述诱发剂为2-羟基_4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯乙酮、2，2-二甲氧基-苯基苯乙酮、APS联合TEMED或偶氮二异丁腈中的一种。

作为进一步优选方案之一，所述诱发剂为2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯乙酮(光诱发剂2959)。

作为优选的技术方案之一，所述敏感响应物质为3-丙烯酰胺基苯硼酸(AAPBA)、伴刀豆球蛋白A、葡萄糖氧化酶或适配体分子中的一种或多种。

作为进一步优选方案之一，所述敏感响应物质为3-丙烯酰胺基苯硼酸。

作为优选的技术方案之一，所述聚合形成水凝胶的方法为紫外照射，照射时间为10-20min。

作为进一步优选方案之一，所述照射时间为20min。

作为优选的技术方案之一，所述水凝胶的厚度不小于100μm。

作为进一步优选方案之一，所述水凝胶的厚度为100μm。

本发明的有益效果在于：

(1)在全反射棱镜表面上设置水凝胶成型部件，精简操作流程，直接在ATR棱镜表面聚合成水凝胶，不需对ATR棱镜进行复杂的预处理操作，可以减少气泡或间隙的干扰，获取棱镜表面数十微米范围内样本的复介电常数信息，并且微量样本便可获得凝胶网络宽频谱范围内的本征THz信号。

(2)在盖板中设置微流道连接反应池，可以减少外部环境的干扰，进样口和出样口均通过微流道与反应池连通，可以实现水凝胶响应过程的实时、连续监测，获取丰富、准确的数据以评估凝胶网络的交联密度及水化状态和凝胶网络响应过程中凝胶内部网络弱相互作用模式变化，整个平台从整体上减少了表征水凝胶网络的操作流程，提高了检测通量，该平台适合大多数类型水凝胶，操作简便、表征速度快。

附图说明

图1为响应性水凝胶的THz-ATR表征平台构造示意图(图A为THz-ATR表征平台立体图，图B为THz-ATR表征平台俯视图)；

图2为THz-ATR表征平台的原理图；

图3为基于二元吸收模型预测100mg/dL处凝胶的吸收波谱与实测吸收波谱的对比图；

图4为AAPBA水凝胶在不同浓度葡萄糖溶液中溶胀平衡时重量变化和1THz处吸收强度变化的趋势图。

其中，1为出样孔，2为盖片，3凹槽，4为进样孔，5为聚乙烯水凝胶成型部件，6为全反射棱镜，7为水凝胶，8为倏逝波，9为微流道，I、II、III、IV为反应池。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。实施例1为响应性水凝胶的THz-ATR表征平台构造，实施例2为AAPBA水凝胶用于表征葡萄糖响应过程的方法，对本发明的技术方案进行进一步说明。应指出的是，本发明不局限于AAPBA水凝胶这一种水凝胶，也不局限于表征葡萄糖响应过程。

实施例1

响应性水凝胶的THz-ATR表征平台构造

用于评估响应性水凝胶响应特征的THz-ATR技术平台结构如图1、图2所示，图1中A为THz-ATR表征平台立体图，图1中B为THz-ATR表征平台俯视图，图2为THz-ATR表征平台的原理图。THz-ATR技术平台包括全反射棱镜6、水凝胶成型部件5和盖片2。ATR棱镜表面上设置有4个间隔1.5mm的水凝胶成型部件5，水凝胶成型部件5为聚乙烯材料的垫片，每个聚乙烯水凝胶成型部件5高度为0.5mm，外环直径为8.0mm，内环直径为7.0mm。盖片为PDMS材质，尺寸为40.0mm×40.0mm，厚度5.0mm，盖片下表面有4个凹槽3，凹槽3直径为8.0mm、深度为2.0mm，聚乙烯水凝胶成型部件5嵌入盖片2的凹槽3内，形成样本反应池I、II、III、IV；盖片2上表面还设置有进样口4和出样口1，两者直径均为0.6mm，进样口4和出样口1均通过微流道9分别与反应池I、II、III、IV连通，微流道9的长度为10.0mm、宽度为0.5mm、高度为1.0mm，微流道9远离进样口4和出样口1的端面均位于水凝胶成型部件5上方1mm处。

实施例2

AAPBA水凝胶表征葡萄糖响应过程的方法

1、AAPBA水凝胶在ATR棱镜表面的原位制备与样本检测

水凝胶的成胶体系由主聚物HEAA，交联剂BISAA，诱发剂为光诱发剂2959和敏感响应物质AAPBA组成。

以二甲基亚砜(DMSO)为溶剂，称取AAPBA、HEAA，BISAA和光诱发剂2959于铝箔包裹避光的微量离心管中，质量浓度分别为1.5％，10％，0.4％，0.1％，充分振荡混合后保持避光状态放入恒温混匀仪中，条件为37℃，30min，使所有固体完全溶解后得到AAPBA水凝胶预聚合液。此外，按照上述方法制备不含AAPBA的空白水凝胶预聚合液。

向反应池II、III中分别加入10μLAAPBA水凝胶预聚合液，反应池IV中加入10μL不含AAPBA的空白水凝胶预聚合液。分别使用紫外LED固化灯(功率＝6W，λ＝365nm)照射20min后，制备出水凝胶。水凝胶厚度为100μm，这个厚度既保证THz倏逝波趋肤深度有效穿透，又保证快速响应性。

首先使用PBS缓冲液(pH＝7.4)配制1000mg/dL的葡萄糖溶液，并放置于室温下过夜以稳定葡萄糖旋光性，而后分别梯度配制20mg/dL、40mg/dL、80mg/dL、100mg/dL、200mg/dL、300mg/dL的葡萄糖溶液。

使用THz时域光谱仪(如Advanced Photonix公司的T-Ray 5000系统)结合嵌入电动高精度三维平移台上的高阻硅棱镜(n＝3.41)搭建图2所示的THz-ATR系统，入射THz波可以在ATR棱镜表面发生全反射并产生沿Z轴方向能量呈指数衰减分布的倏逝波，并可实现对棱镜表面4个反应池中样本介电特性的可控连续扫描测量。检测前1h开机并充入干燥空气，在样本测量前，测量空白棱镜的背景参考值，所有测量的光谱重复平均数均设置为2048次。向上述4个反应池中持续泵入PBS缓冲液2h，采集凝胶达到溶胀平衡状态后的THz信号。而后向反应池II和IV中依次泵入20mg/dL、40mg/dL、80mg/dL、100mg/dL、200mg/dL、300mg/dL的葡萄糖溶液，每个浓度葡萄糖溶液持续泵入2h，分别检测水凝胶的THz响应信号。反应池I和III与反应池II和IV同步持续泵入PBS缓冲液并进行THz信号采集。以上实验均在室温下测定，温度为26±0.5℃。

2、AAPBA水凝胶响应性的实时表征原理及结果

利用上述构建的THz-ATR表征平台获取棱镜表面水凝胶响应特征的原理如图2所示，修饰在凝胶网络内的离子化AAPBA与葡萄糖结合，增大凝胶网络内的离子化程度，受Donnan效应和凝胶网络内渗透压增加的作用，凝胶溶胀引起交联密度降低和水含量增加。利用THz波发生全反射时所产生的倏逝波和其水敏感性，可灵敏表征棱镜表面数十微米范围内的凝胶响应过程中交联密度和水含量的微弱变化。

水凝胶薄膜的表征参数提取如下：

在本测试中，由于ATR棱镜表面水凝胶薄膜厚度超过了倏逝波的趋肤深度，可建立“ATR棱镜层(ε₁)-凝胶层

”两层单界面模型，棱镜-凝胶层界面的菲涅尔反射系数

可以通过时域波谱信号傅里叶变换后的反射率

和相位谱

计算获得，

其中，r_REF是空白背景参考信号，即棱镜-空气层界面的反射系数。因此，在棱镜-凝胶层的菲涅尔反射系数

THz波入射角(θ)和ATR棱镜复介电常数(ε₁)等参数确定情况下，可获得凝胶层的复介电常数

如公式(3)所示：

凝胶的复介电常数实部(ε′)和虚部(ε″)即为相对介电常数和介电损耗，与样本的折射率(n)和消光系数(κ)的关系如下：

ε′＝n²-κ²， (4)

ε″＝2nκ， (5)

样本的吸收系数(α)可根据消光系数(κ)，角频率(ω)和光速(c)推导如下：

为分析凝胶响应过程中THz吸收波谱与交联密度和水含量的变化关系，首先利用台阶仪测定了凝胶在不同溶液中达到溶胀平衡后的厚度d_c，假定凝胶溶胀变化过程的体积改变归因于网络内水含量的变化，建立二元吸收预测模型，

其中，对应葡萄糖浓度的凝胶溶胀平衡后的厚度为d_c，初始状态的凝胶重量为d₀，初始状态的凝胶吸收系数为α₀，PBS缓冲液的吸收系数为α_CHES，反应池的半径为r。如图3所示，比较水凝胶在100mg/dL葡萄糖溶液中溶胀平衡后实际测量和模型预测的吸收曲线，两者吻合度较好，这进一步验证水凝胶溶胀平衡时吸收系数的变化主要来源于其水含量的改变。因此，可以通过水凝胶吸收系数的变化来实时反映凝胶水含量的变化，

其中凝胶的水含量变化百分比为δ，对应葡萄糖浓度的凝胶溶胀平衡后的吸收系数为α_χ。

如图4所示，对比AAPBA水凝胶在不同浓度葡萄糖溶液中溶胀平衡时重量变化和1THz处吸收强度变化的趋势，两者的变化趋势均随葡萄糖溶液的浓度升高而增强，其归一化变化趋势的线性相关性较好，R²为0.99717。这证实了AAPBA水凝胶在不同浓度葡萄糖溶液中的溶胀平衡时的吸收强度变化可以用来评估凝胶响应所致的交联密度和水含量改变。

3、ATR棱镜表面水凝胶的清洗

待样本检测完毕后，移除压力夹具，取开ATR棱镜表面的PDMS盖片，用镊子小心剥离棱镜表面的聚乙烯水凝胶成型部件及表面水凝胶薄膜，随后依次使用丙酮、无水乙醇、超纯水清洗PDMS盖片和ATR棱镜表面，清洗时间为10s，最后用氮气吹干。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，其特征在于，包括全反射棱镜、水凝胶成型部件和盖片；所述水凝胶成型部件位于所述全反射棱镜表面，且嵌入所述盖片下表面设置的凹槽内，形成反应池；所述盖片上还设置有进样口和出样口，所述进样口和出样口均通过微流道与所述反应池连通，且所述微流道远离进样口和出样口的端面均位于所述水凝胶成型部件上方；所述水凝胶成型部件呈中空筒体，其截面能容纳面积为6.25mm²的圆形检测区。

2.如权利要求1所述的无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，其特征在于，所述水凝胶成型部件筒体高度大于100um，所述水凝胶成型部件材料为聚乙烯、苯乙烯丙烯腈共聚物或聚二甲基硅氧烷中的一种。

3.如权利要求1所述的无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，其特征在于，所述盖片材料为聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷或环烯烃类共聚物中的一种。

4.如权利要求1所述的无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，其特征在于，所述水凝胶成型部件的个数大于等于1。

5.如权利要求1所述的无标记评估响应性水凝胶响应特征的太赫兹衰减全反射技术平台，其特征在于，所述进样孔和出样孔在所述盖片上表面和/或侧面。

6.利用权利要求1所述的太赫兹衰减全反射技术平台评估响应性水凝胶响应性特征的方法，其特征在于，所述方法如下：先将预聚合液加入水凝胶成型部件中，聚合形成水凝胶，此时将所述水凝胶成型部件嵌入盖片下表面设置的凹槽内，形成反应池，再将待测生物样本从所述盖片上设置的进样孔加入，流经所述反应池后从盖片上设置的出样孔流出，最后进行THz光谱检测。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，所述预聚合液包括主聚物、诱发剂、交联剂、敏感响应物质。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述主聚物为N-羟乙基丙烯酰胺、2-羟基乙基甲基丙烯酸酯或聚乙二醇丙烯酸酯类衍生物中的一种，所述交联剂为N，N′-亚甲基双丙烯酰胺、戊二醛、二甲基丙烯酸乙二醇酯或二甲基丙烯酸乙二醇酯衍生物中的一种，所述诱发剂为2-羟基-4′-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯乙酮、2，2-二甲氧基苯基苯乙酮、APS联合TEMED或偶氮二异丁腈中的一种，所述敏感响应物质为3-丙烯酰胺基苯硼酸、伴刀豆球蛋白A、葡萄糖氧化酶或适配体分子中的一种或多种。

9.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述聚合形成水凝胶的方法为紫外照射，照射时间为10-20min。

10.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述水凝胶的厚度不小于100μm。

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