CN112033938B - 一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器及其构建方法与应用 - Google Patents

一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器及其构建方法与应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器及其构建方法与应用。本发明的可视化传感器通过以下方法制备：(1)制备固体取向层；(2)制备液晶液滴；(3)将液晶液滴放置于所述固体取向层上，液晶液滴在所述固体取向层上以座滴形式存在，并且在固体取向层的取向作用下，形成均匀稳定的分子形态。本发明的可视化传感器及阵列式可视化传感器的制备方法简单，无需昂贵的设备，可以以较低的成本实现生物活性物质的简单快速检测。

Description

一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器及其构建方法 与应用
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种可用于分析检测的可视化微型传感器及其构建方法与应用。
背景技术
液晶(Liquid Crystal,简称LC)是液态晶体的简称，是介于液体与固体之间的一种特殊物质形态。不同的液晶性物质呈现液晶态的方式不同，液晶可以分为热致液晶和溶致液晶两大类，一定温度范围内呈现液晶性的物质称作热致液晶；在一定浓度的溶液中呈现液晶性的物质称为溶致液晶。液晶分子具有长程有序性和光学各向异性，已被广泛的应用于显示领域。由于液晶分子具有双折射性、取向有序性和光电活性等特殊性质，因而它不仅在电子、光电显示领域有广泛的应用，还可以作为生物和化学领域中的信号转换元件。科研工作者们利用液晶分子作为信号转换元件开发了很多液晶生物传感器，并将其应用于多种物质如：蛋白质、抗体、重金属离子、核酸、农药的检测。液晶生物传感器的基本原理是：在检测目标化合物前后，液晶分子由于与目标分子的结合，发生取向变化，从而改变液晶分子对光线的折射能力，应用偏光显微镜检测液晶分子的折射变化可以实现对待测分子的定性及半定量检测。液晶生物传感器采用普通的玻片即可构建，无需复杂仪器设备和特殊的光源，易于实现微型化和阵列化，具备结构简单，检测简单快速等特点在临床医学、食品检测和生物科学领域有广阔的应用前景。尽管液晶生物传感器有了很大的进度，但是基于液晶取向的液晶传感器的用途及应用范围仍有待进一步开发。
青霉素G钠是一类β-内酰胺类抗生素，已经被广泛用于细菌感染的治疗，例如肺炎球菌性肺炎。然而抗生素的过度使用导致抗生素残留在地表水、食物、土壤中，从而催生出了耐药性的细菌，给人类健康和环境带来了巨大的威胁。这些细菌可以产生青霉素酶，该酶能够催化青霉素G钠的水解，从而导致抗生素的抗菌活性损失。在过去的几十年中，相关文献已经报道了一些方法，如微生物法、HPLC-MS、电化学和荧光法测定青霉素G钠。它们当中，微生物法是一种用于检测青霉素的常用方法之一。微生物法需要先用3H或14C放射性元素先标记青霉素，让其与样品中的青霉素竞争细菌表面的特异性受体位点，而样品的放射强度与样品中青霉素的含量成反比，因而可通过比较其与判定点的放射性强度得出青霉素的残留量。该方法存在的缺点是成本高，操作流程复杂。HPLC-MS法虽然灵敏度高，重现性好，但其需要专业的操作技术人员，昂贵的设备，在远离实验室的地方很难实现检测。
因此，迫切需要开发一种简单，无标记，便携且经济高效的平台来分析青霉素G钠。
发明内容
本发明的一个技术目的是提供一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器的构建方法。
本发明的另一个技术目的是提供由上述方法构建的基于液晶分子自组装结构的可视化传感器。
本发明的又一个技术目的是提供上述传感器在分析检测中的应用。
本发明的再一个技术目的是提供采用上述传感器检测青霉素的方法。
一方面，本发明提供一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器的构建方法，所述方法包括以下步骤：(1)固体取向层的制备：将玻璃或者硅片基底切割成具有一定尺寸的样品，使用洗液清洁其表面，并用N2吹干并保存于干燥器中备用，通过化学方法或者物理涂布方法在清洁的固体表面上涂布得到固体取向层；
(2)液晶液滴的制备：将掺杂剂溶解在液晶中，并将其制备成液晶液滴；
(3)液晶传感器的组装：将以上所得的液晶液滴放置于所述固体取向层上，液晶液滴在所述固体取向层上以座滴形式存在，并且在固体取向层的取向作用下，液晶分子发生排列，形成均匀稳定的分子形态。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，清洁过程包括将玻璃或硅片基底浸泡于洗液中，在40-50℃条件下浸泡20-30min，然后用水和乙醇，依次洗涤3次。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述洗液为食人鱼洗液、发烟硝酸或25wt％氢氧化钾溶液。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述固体取向层可以是有机物薄膜，也可以是自组装的分子层材料，其实例包括聚酰亚胺、特氟龙薄膜、或者是十八烷基三氯硅烷分子层。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，所述液晶是向列型热致液晶，例如，可以是5CB、E7、8CB等，所述掺杂剂可以是含有羧酸官能团的两亲性表面活性剂，例如，可以是硬脂酸或4'-戊基联苯-4-羧酸(PBA)。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，所述液晶液滴的体积V≤100pL，座滴在x-y平面上的直径大小在10-200μm范围内。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，可通过采用微量移液器、喷雾法、液滴微流控方法制备液晶液滴。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，将掺杂剂以0.3-3wt％的浓度溶解在液晶中。掺杂剂的浓度对液滴的形成无明显影响，然而，会对传感有影响。掺杂剂浓度低于0.3％时，在添加检测物质前后液晶的光学结构都不发生变化；掺杂剂浓度高于3％时，传感器的灵敏度会受到影响。
在具体实施方式中，在步骤(3)中，液晶分子在固体取向层的作用下，液晶棒状分子与取向层相互垂直，即发生垂直排列。
在具体实施方式中，在步骤(1)至(3)中，操作的环境温度在17-35℃之间。
另一方面，本发明提供一种由上述构建方法构建的基于液晶分子自组装结构的可视化传感器，所述传感器包括：
玻璃或硅片基底；
在所述玻璃或硅片基底上的固体取向层；
在所述固体取向层上以座滴形式的液晶液滴。
另一方面，本发明提供一种基于液晶分子自组装结构的可视化阵列式传感器的构建方法，所述方法包括以下步骤：
(1)固体取向层的制备：将玻璃或者硅片基底切割成具有一定尺寸的样品，使用洗液清洁其表面，并用N2吹干并保存于干燥器中备用，通过化学方法或者物理涂布方法在清洁的固体表面上涂布得到固体取向层；
(2)液晶传感器的制备：将掺杂剂溶解在液晶中，并将其在所述固体取向层上形成液晶液滴的阵列，液晶液滴在所述固体取向层上以座滴形式存在，并且在固体取向层的取向作用下，液晶分子发生排列，形成均匀稳定的分子形态。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述洗液为食人鱼洗液，发烟硝酸，25wt％氢氧化钾溶液。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述玻璃或硅片可以是透明的或者是不透明的。当其是透明的，从传感器的一侧发射检测光束，从传感器的另一侧对透射出的光束进行检测。如果其是不透明的，则从传感器的一侧发射检测光束，从该侧对反射出的光束进行检测。通过观察传感器在检测光路中的不同形态来进行传感。
在具体实施方式中，在步骤(1)中，所述固体取向层可以是有机物薄膜，也可以是自组装的分子层材料，其实例包括玻璃表面、聚酰亚胺、特氟龙薄膜、或者是十八烷基三氯硅烷分子层。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，所述液晶是向列型热致液晶，例如，可以是5CB、E7、8CB等，所述掺杂剂可以是含有羧酸官能团的两亲性表面活性剂，例如，可以是硬脂酸或4'-戊基联苯-4-羧酸(PBA)。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，所述液晶液滴的体积V≤100pL，大小在10-200μm范围内。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，可通过采用喷墨打印方法形成液晶液滴的阵列。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，将掺杂剂以0.3-3wt％的浓度溶解在液晶中。
在具体实施方式中，在步骤(2)中，液晶分子在固体取向层的作用下，液晶棒状分子与取向层相互垂直，即液晶分子发生垂直排列。
在具体实施方式中，在步骤(1)和(2)中，操作的环境温度在17-35℃之间。
又一方面，本发明提供一种由上述构建方法构建的基于液晶分子自组装结构的可视化阵列式传感器，所述传感器包括：
玻璃或硅片基底；
在所述玻璃或硅片基底上的固体取向层；
在所述固体取向层上以座滴形式的阵列式液晶液滴。
在具体实施方式中，所述可视化阵列式传感器可用于同时检测多种不同的物质。
再一方面，本发明提供一种上述可视化传感器或可视化阵列式传感器在检测溶液生物活性物质中的应用。
在具体实施方式中，所述生物活性物质可包括青霉素，例如青霉素G钠，其检测所采用的特异性酶为青霉素酶；尿素，其检测所采用的特异性酶为尿素酶；。
再一方面，本发明提供一种采用上述可视化传感器检测青霉素的方法，所述方法包括：
1)将上述传感器置于偏光显微镜样品台上，通过透射模式的偏光显微镜进行光学检测，以及
2)在24-33℃下，优选25℃下，将含有青霉素酶的磷酸缓冲溶液(PBS)滴加到液晶液滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；
3)将待检测的溶液加入到滴加了所述青霉素酶的PBS的液晶液滴的外表面，观察其光学织构是否改变，
当青霉素的浓度≥0.5pM时，光学织构变为了四叶草结构；而当青霉素的浓度低于0.5pM时，光学织构不发生变化。
当加入含有一定浓度青霉素的待测样品到含有青霉素酶的PBS的液晶液滴的表面时，用CCD记录下座滴的光学织构从黑十字结构变为四叶草结构的变化过程及所需时间，也可以基于该所需时间来判断青霉素的浓度。
在具体实施方式中，所述青霉素可为青霉素G钠。
再一方面，本发明提供一种同时检测多种不同的生物活性物质的方法，所述方法包括使用上述可视化阵列式传感器。
在具体实施方式中，所述生物活性物质可包括青霉素G钠、尿素等。
有益效果
本发明提供一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器及其构建方法及其相关应用。所述传感器可以基于液晶液滴中液晶分子自组装形成的织构变化而实现分子传感，从而实现待检测物质的便携式分析检测。
采用所述传感器检测生物活性物质(例如青霉素)的方法具有快速、高效、灵敏的特点，克服了现有技术中存在的操作复杂、耗时长和设备昂贵等缺点，因为其在远离实验室的地方容易实现。
此外，本发明的可视化阵列式传感器，可以实现在每个不同的区间格中分别进行不同的生物活性物质的检测，从而可实现在同一传感器中同时检测多种不同物质，且彼此之间不干扰，从而大大提高了检测效率和检测范围。
此外，本发明中通过采用座滴形式的液晶液滴，一方面由于液滴的尺寸在微米级别，增大了其比表面积，进而可以增加其界面的相对作用；另外，其制备方法简单，不需要大型设备进行辅助。
附图说明
图1示出了本发明的液晶座滴的透视图(a)及侧视图(b)。
图2示出了采用本发明的传感器检测溶液pH的工作原理图。
图3示出了实施例1中的传感器在pH＝6.5(左)和pH＝7.0(右)下的检测结果的偏光照片。
图4示出了在实施例2中，青霉素G钠的浓度(C)对掺有1.0wt％PBA的5CB液晶传感器的光学织构的影响。(a)C＝0M，(b)C＝5×10-4M，(c)C＝5×10-5M，(d)C＝5×10-6M，(e)C＝5×10-7M，(f)C＝5×10-8M，(g)C＝5×10-9M，(h)C＝5×10-10M。所有样品中均加入了104U/mL青霉素酶。
图5示出了制备实施例2中的制备的包含液晶液滴阵列的传感器，其包含编号分别为1、2、3、4、5、6、7、8、9的区间方格。
具体实施方式
在下文中，将参考具体实施方式进一步地解释本申请的技术方案，然而这些具体实施方式不意图限制本发明的范围。
术语
本文中的“座滴”释义如下：由于液晶分子与取向层之间的不完全润湿性，当液晶滴落到取向层上时以球帽状的形式附着在取向层上，此状态即为座滴，其中，在x-y平面上是一个圆形(参见图1)，在z方向上的高度与液晶分子与取向层的润湿性有关。在本申请中，将座滴在x-y平面上的圆的直径称之为座滴的大小。
本文中的“向列型热致液晶”表示一种分子会随着温度的变化而发生相变的液晶，即随着温度的不断升高，物质由固体变成液晶状态，最后变成各向同性的液体且棒状分子彼此倾向于平行交错排列，分子可以转动或者上下滑动，流动性好。
以下实施例中所使用偏光显微镜为莱卡DM2500型偏光显微镜；所使用的液晶5CB(99wt％,TNI＝34.5℃)购自北京百灵威试剂有限公司；青霉素G钠(分析纯)和青霉素酶(来自蜡样芽胞杆菌，200万单位/瓶)购自上海麦考林试剂公司。
制备实施例1：液滴式传感器的制备
(1)固体取向层的制备：将玻璃切割成具有30×30mm样品，用食人鱼洗液清洁其表面，并用N2将其吹干并保存于干燥器中备用。通过旋涂法在玻璃表面旋涂上一层特氟龙薄膜。
(2)液晶液滴的制备：将掺杂剂PBA以1.0wt％的浓度溶解在5CB液晶中，通过喷雾法将喷雾器中的液晶以雾滴的形式从喷雾器的喷嘴中喷出。
(3)液晶传感器的组装：将以上所得的液晶液滴放置于步骤1中的特氟龙薄膜表面，由于液晶与特氟龙之间的疏水作用，液晶雾滴在特氟龙表面以座滴形式存在。在特氟龙的取向作用下，液滴中的液晶分子发生垂直排列。
制备实施例2：阵列式传感器的制备
(1)固体取向层的制备：将玻璃切割成具有30×30mm样品，用食人鱼洗液清洁其表面，并用N2将其吹干并保存于干燥器中备用。通过旋涂法在玻璃表面旋涂上一层特氟龙薄膜。
(2)液晶液滴的制备：将掺杂剂PBA以1.0wt％的浓度溶解在5CB液晶中，通过按需打印的喷墨打印在固体取向层上制备具有相同大小，间距相等的液晶液滴的阵列(图5)。由于液晶与特氟龙之间的疏水作用，液晶雾滴在特氟龙表面以座滴形式存在。在特氟龙的取向作用下，液滴中的液晶分子发生垂直排列。
实施例1：采用传感器检测溶液pH值
(1)将含有液晶座滴的玻璃基板置于显微镜样品台上，通过透射模式的偏光显微镜进行光学检测。
(2)在25℃下，滴加2.0μL具有不同pH的PBS缓冲溶液到液晶滴的外表面，观察其光学织构。当pH小于7.0时，液晶呈现为四叶草结构；而当pH大于7.0时，液晶呈现为黑十字结构。说明，此液晶传感器可用于检测溶液的pH值。如图3中所示，在左图中，当溶液pH＝6.5时，观察到液晶呈现为四叶草结构；在右图中，当溶液pH＝7时，观察到液晶呈现为黑十字结构。
实施例2：采用传感器检测青霉素
液晶座滴传感器在检测青霉素中的应用，步骤如下：
(1)将含有液晶座滴的玻璃基板置于显微镜样品台上，通过透射模式的偏光显微镜进行光学检测。
(2)在25℃下，先滴加2.0μL的含有特异性青霉素酶的PBS缓冲溶液到液晶滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；紧接着再加入2.0μL的不同浓度(分别为0M，5×10- 4M，5×10-5M，5×10-6M，5×10-7M，5×10-8M，5×10-9M，5×10-10M)的青霉素G钠的缓冲溶液到相同的滴加了所述酶的PBS缓冲溶液的液晶表面，观察到其光学织构变为了明亮的四叶草结构(参见图4)。在对比实验中，只向液晶座滴中添加青霉素酶而不添加青霉素G钠，发现液晶的光学织构保持不变。
实施例3
除液晶材料为E7液晶制备液晶座滴以外，其他操作同制备实施例1和实施案例2。
实验结果：当在25℃下，先滴加2.0μL的含有特异性青霉素酶的PBS缓冲溶液到液晶滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；紧接着再加入2.0μL的不同浓度(分别为0M，5×10-4M，5×10-5M，5×10-6M，5×10-7M，5×10-8M，5×10-9M，5×10-10M)的青霉素G钠的缓冲溶液到相同的滴加了所述酶的PBS缓冲溶液的液晶表面，观察到其光学织构变为了明亮的四叶草结构，说明液晶E7可以实现与5CB液晶相同的检测效果。
实施例4
(1)将含有液晶座滴阵列的玻璃基板置于显微镜样品台上，通过透射模式的偏光显微镜进行光学检测。
(2)在25℃下，滴加2.0μL的含有特异性青霉素酶的PBS缓冲溶液到某一个小方格中(图5中的方格1)的液晶滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；紧接着再加入2.0μL的5×10-5M的青霉素G钠的缓冲溶液到相同的滴加了所述酶的PBS缓冲溶液的液晶表面，观察到其光学织构变为了明亮的四叶草结构(参见图4)；与此同时，在图5中的方格2中滴加2.0μL的含有特异性尿素酶的PBS缓冲溶液到该方格中的液晶滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；紧接着再加入2.0μL的5×10-5M的尿素的缓冲溶液到相同的滴加了所述酶的PBS缓冲溶液的液晶表面，观察到其光学织构变为了明亮的四叶草结构。说明采用阵列式液晶座滴可以实现在每个不同的区间格中分别进行不同生物活性物质的同时检测，且彼此之间不干扰。

Claims (7)

1.一种基于液晶分子自组装结构的可视化传感器的构建方法，所述方法包括以下步骤：
（1）固体取向层的制备：将玻璃或者硅片基底切割成具有固定尺寸的样品，使用洗液清洁其表面，并用N2吹干并保存于干燥器中备用，通过旋涂法在清洁的固体表面上涂布特氟龙得到固体取向层；
（2）液晶液滴的制备：将掺杂剂溶解在液晶中，具体地，将掺杂剂以0.3-3wt%的浓度溶解在液晶中，并将其制备成液晶液滴；
（3）液晶传感器的组装：将以上所得的液晶液滴放置于所述固体取向层上，液晶液滴在所述固体取向层上以座滴形式存在，并且在固体取向层的取向作用下，液晶分子发生排列，形成均匀稳定的分子形态，
由于液晶分子与取向层之间的不完全润湿性，当液晶滴落到取向层上时以球帽状的形式附着在取向层上，此状态即为座滴；
清洁过程包括：将玻璃或硅片基底在40-50℃条件下浸于洗液中20-30min，然后用水和乙醇依次洗涤，所述洗液为食人鱼洗液、发烟硝酸或25wt％氢氧化钾溶液；
所述液晶选自5CB或E7；
所述掺杂剂选自4'-戊基联苯-4-羧酸，并且所述液晶液滴的体积V≤100pL，座滴在x-y平面上的直径大小在10-200μm范围内；
液晶分子在固体取向层的作用下，液晶棒状分子与固体取向层相互垂直。
2.一种基于液晶分子自组装结构的可视化阵列式传感器的构建方法，所述方法包括以下步骤：
（1）固体取向层的制备：将玻璃或者硅片基底切割成具有固定尺寸的样品，使用洗液清洁其表面，并用N2吹干并保存于干燥器中备用，通过旋涂法在清洁的固体表面上涂布特氟龙得到固体取向层；
（2）液晶传感器的制备：将掺杂剂溶解在液晶中，具体地，将掺杂剂以0.3-3wt%的浓度溶解在液晶中，并将其在所述固体取向层上形成液晶液滴的阵列，液晶液滴在所述固体取向层上以座滴形式存在，并且在固体取向层的取向作用下，液晶分子发生排列，形成均匀稳定的分子形态，
由于液晶分子与取向层之间的不完全润湿性，当液晶滴落到取向层上时以球帽状的形式附着在取向层上，此状态即为座滴；
清洁过程包括：将玻璃或硅片基底在40-50℃条件下浸于洗液中20-30min，然后用水和乙醇依次洗涤，所述洗液为食人鱼洗液、发烟硝酸或25wt％氢氧化钾溶液；
所述液晶选自5CB或E7；
所述掺杂剂选自4'-戊基联苯-4-羧酸，并且所述液晶液滴的体积V≤100pL，座滴在x-y平面上的直径大小在10-200μm范围内；
液晶分子在固体取向层的作用下，液晶棒状分子与固体取向层相互垂直。
3.一种由权利要求1所述的方法构建的基于液晶分子自组装结构的可视化传感器，所述传感器包括：
玻璃或硅片基底；
在所述玻璃或硅片基底上的固体取向层；
在所述固体取向层上以座滴形式的液晶液滴。
4.一种由权利要求2所述的方法构建的基于液晶分子自组装结构的可视化阵列式传感器，所述传感器包括：
玻璃或硅片基底；
在所述玻璃或硅片基底上的固体取向层；
在所述固体取向层上以座滴形式的阵列式液晶液滴。
5.一种如权利要求3所述的可视化传感器或如权利要求4所述的可视化阵列式传感器在检测生物活性物质中的用途。
6.根据权利要求5所述的用途，其中，所述生物活性物质包括青霉素G钠和尿素，青霉素G钠其检测所采用的特异性酶为青霉素酶；尿素其检测所采用的特异性酶为尿素酶，并且所述生物活性物质以溶解在溶剂中的溶液形式存在。
7.一种采用如权利要求3所述的可视化传感器检测青霉素的方法，所述方法包括：
1）将权利要求3所述的可视化传感器置于偏光显微镜样品台上，通过透射模式的偏光显微镜进行光学检测，
2）在25℃下，将含有青霉素酶的磷酸缓冲溶液PBS滴加到液晶液滴的外表面，观察到其光学织构为黑十字结构；
3）将待检测的溶液加入到滴加了所述青霉素酶的PBS的液晶液滴的外表面，观察其光学织构是否改变，
其中，当溶液中青霉素的浓度≥0.5 pM时，光学织构变为了四叶草结构；而当青霉素的浓度低于0.5 pM时，光学织构不发生变化。
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