CN115791772A - 一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用，包括以下步骤：将壳聚糖溶液涂敷在玻璃片上形成壳聚糖涂层；配置矿化液；将壳聚糖完全浸入矿化液中形成碳酸钙涂层；将碳酸钙涂层浸入氢氧化钠溶液中脱膜形成碳酸钙薄膜；将碳酸钙薄膜浸入十八烷基三氯硅烷溶液中，形成疏水层；将疏水层进行图案化处理，同时形成疏水区和亲水区。本发明使用碳酸钙薄膜为基底材料，解决了现有生物传感器易损伤、稳定性差，机械强度低的问题，增加了生物传感器的检测寿命，同时制作工艺简单，降低了制作成本，此外本发明可同时用比色法与荧光法两种方式进行传感检测，除进行多组分检测外，还可进行出汗量与出汗率的统计。
Description
技术领域
本发明涉及生物传感器技术领域，特别是涉及一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用。
背景技术
无创检测为当前医疗诊断和分析提供了一种安全、舒适、可连续监测的检测方式。在泪液、尿液、唾液、汗液、鼻腔液等众多体液中，汗液是最容易、最方便从人体获取的体液。汗液中最多的成分是水，其次是盐离子，少量的乳酸、尿素，微量的氨基酸、葡萄糖以及极少量的皮质醇。
上述这些物质的代谢量同人体疾病息息相关。人体pH处于弱酸与中性之间可作为皮肤防护的屏障。氯离子是人体囊性纤维化的重要标志物。Na+、K+、Ca2+反映人体细胞正常的生物电活动，其中Na+、K+含量的异常很可能会诱发心脏系统疾病。此外还有尿素、肌酐等表征肾功能的优劣，因此对汗液中各种物质的浓度进行检测可以直接获得人体疾病的信息。但是现有技术制作的生物传感器机械强度较低，灵敏度不高，主要在于材料本身稳定性差，以及现有工艺制造流程复杂，成本较高，不利于大量制造。
发明内容
本发明的目的是提供一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用，以解决上述检测汗液使用的生物传感器机械强度较低、稳定性较差和制备工艺复杂、成本较高的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种高机械强度柔性生物传感器的制备，包括以下步骤：
(1)以壳聚糖溶液为前驱体，将其涂敷在玻璃片上形成壳聚糖涂层；
(2)以氯化钙溶液、聚丙烯酸钠盐溶液和碳酸钠溶液混合配置矿化液；
(3)将壳聚糖涂层完全浸入矿化液中诱导碳酸钙定向结晶形成碳酸钙涂层；
(4)将碳酸钙涂层浸入氢氧化钠溶液中脱膜，形成碳酸钙薄膜；
(5)将碳酸钙薄膜浸入十八烷基三氯硅烷溶液中，形成具有疏水性质的疏水层；
(6)将疏水层进行图案化处理，同时形成具有疏水性质的疏水区和具有亲水性质的亲水区，即为高机械强度柔性生物传感器。
优选的，步骤(1)壳聚糖溶液的配置为在超纯水中加入壳聚糖和冰乙酸溶液，搅拌、抽滤后得到壳聚糖溶液，4℃以下保存备用，其中壳聚糖与冰乙酸的质量体积比为1g:1mL。
优选的，步骤(1)中壳聚糖溶液涂覆到玻璃片上后加热、干燥、浸入氢氧化钠溶液、去离子水冲洗、干燥得到壳聚糖涂层。
优选的，步骤(2)中矿化液的配置为在超纯水中加入无水氯化钙搅拌，再加入聚丙烯酸钠盐搅拌；另取超纯水加入无水碳酸钠搅拌；将碳酸钠溶液加入到氯化钙与聚丙烯酸钠盐中形成混合液，搅拌、抽滤得到矿化液。
优选的，步骤(3)中涂覆有壳聚糖的玻璃片浸入矿化液后在25℃下水浴6h在壳聚糖表面形成碳酸钙涂层；步骤(4)中将干燥的碳酸钙涂层浸泡于0.05g/mL的氢氧化钠溶液中4h,揭膜，冲洗，在去离子水中浸泡1h，冲洗，放于培养皿中，室温下自然干燥，得到碳酸钙薄膜。
优选的，步骤(5)中碳酸钙薄膜经过等离子处理后，再完全浸入十八烷基三氯硅烷溶液中。
优选的，步骤(6)中在疏水层表面用掩模板盖住，夹子夹紧，经过紫外光照射处理后形成亲水性质的圆孔区和亲水性质的微流控通道。
所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，亲水区用于富集汗液，亲水区修饰比色试剂实现汗液的可视化检测。
所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，亲水区用于富集样本分析物，亲水区修饰荧光探针实现样本分析物的荧光检测。
所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，微流控通道中加入水活性染料，实现出汗量和出汗率的计算。
因此，本发明采用上述结构的一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用，具有以下有益效果：
(1)本发明用碳酸钙薄膜制作生物传感器，具体以氯化钙溶液和碳酸钠溶液反应生成无定形碳酸钙，在带电聚合物聚丙烯酸钠盐作用下，诱导碳酸钙定向结晶，在壳聚糖表面生成碳酸钙薄膜。碳酸钙薄膜本身具有极高的机械强度，对其进行弯曲且摩擦磨损不会造成表面形貌及性质的变化，因此应用碳酸钙薄膜制作的生物传感器具有极强的稳定性。解决了现有生物传感器易损伤、稳定性差，机械强度低的问题，增加了生物传感器的检测寿命。
(2)本发明选用壳聚糖作为衬底，壳聚糖具有生物相容性、可降解性等优异的生物学功能。
(3)本发明通过对碳酸钙薄膜进行表面改性、图案化处理再进行表面功能化实现了在同一界面上同时具有疏水性与亲水性两种不同的性能，通过修饰比色试剂或荧光探针，以此达到构建传感检测区域的目的，实现汗液的高灵敏检测；通过设计的微流控通道实现出汗量与出汗率的统计。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1是表面改性碳酸钙薄膜的电镜图；
图2是疏水性质的碳酸钙薄膜的接触角表征图；
图3是亲水性质的碳酸钙薄膜的接触角表征图；
图4是柔性生物传感器的实物模拟图；
图5是弯曲且摩擦磨损后碳酸钙薄膜的电镜图；
图6是改性碳酸钙薄膜摩擦磨损实验接触角表征图；
图7是传感器可视化检测葡萄糖的L*a*b*模型；
图8是传感器可视化检测pH的L*a*b*模型；
图9是传感器荧光检测荧光强度随样本浓度变化的关系曲线图。
具体实施方式
以下将对本发明进行进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明并不限于本实施例。
实施例1
一种高机械强度柔性生物传感器的制备，包括以下步骤：
步骤一：配制壳聚糖溶液：在100mL的超纯水中加入1g壳聚糖与1mL冰乙酸，磁力搅拌2h，进行抽滤，4摄氏度下保存。
步骤二：制备壳聚糖涂层：用3M胶带贴住洁净的载玻片四周，涂覆1mL壳聚糖溶液，在80℃的加热台上加热，干燥后，浸入0.08g/mL的NaOH溶液中2mi n,去离子水冲洗、干燥备用。
步骤三：矿化液的配置：在50mL超纯水中加入0.0555g无水氯化钙，磁力搅拌15min，再加入0.002g聚丙烯酸钠盐，磁力搅拌15mi n；另取50mL超纯水，加入0.053g无水碳酸钠，磁力搅拌15mi n，再将碳酸钠溶液加入到氯化钙与聚丙烯酸钠盐形成的混合溶液中，磁力搅拌15mi n并进行抽滤，形成矿化液。
步骤四：碳酸钙薄膜的制备：将壳聚糖涂层完全沉浸在矿化液中并且密封，在25摄氏度的水浴锅中6h，诱导碳酸钙定向结晶，在壳聚糖涂层表面形成碳酸钙涂层；将干燥的碳酸钙涂层浸入0.05g/mL的NaOH溶液中3h,揭膜，冲洗，在去离子水中浸泡1h，冲洗，放于培养皿中，室温下自然干燥，得到碳酸钙薄膜。
步骤五：碳酸钙薄膜表面改性：碳酸钙薄膜使用紫外等离子清洗机处理6分钟进行表面清洁，然后将样品完全浸入100μL十八烷基三氯硅烷溶液(10mL甲苯)，密封避光静置半小时后，用无水乙醇冲洗，得到表面改性的碳酸钙薄膜(其微观形貌如图1所示)，该表面具有疏水性质，形成疏水层(如图2所示)。
步骤六：图案化处理：在经过表面改性的碳酸钙薄膜表面(即疏水层)用掩膜板盖住，用夹子夹紧，经过紫外处理15mi n后形成具有亲水性(如图3所示)的圆孔区和微流控通道(如图4所示)。
图1是表面修饰后碳酸钙薄膜的微观形貌电镜图，从图中可以看出，该碳酸钙薄膜呈现无规则紧密连续排列的多边形结构，此为在聚丙烯酸钠盐作用下，诱导碳酸钙溶液定向结晶的结果。图2是修饰后的碳酸钙薄膜表面性质表征图，其接触角为121.2±4.9°，表面改性后的碳酸钙薄膜具有疏水性质。图3是紫外处理碳酸钙薄膜的表面性质表征图，从图中可以看出接触角为9.1±1.5°，该表面具有亲水性质。图4是基于碳酸钙薄膜的柔性生物传感器的实物模拟图，包含疏水表面上的亲水性圆孔区和亲水性微流控通道。
实施例2
对碳酸钙薄膜机械强度及表面性质进行表征。
取经过表面改性处理的碳酸钙薄膜(其表面微观形貌如图1所示)，弯曲并用沙子对其表面进行摩擦磨损实验，用电镜照片观察其形貌(如图5)并未发生明显改变，保持了良好的机械强度。并用光学接触角张力测试仪分析不同次数摩擦磨损薄膜的表面性质，如图6所示，摩擦磨损表面接触角统计图，从图中可以看出经过多次摩擦磨损之后，其表面接触角未发生明显改变，碳酸钙薄膜仍能够保持其疏水状态，由此可见碳酸钙薄膜具有稳定的表面性质。
实施例3
葡萄糖检测：配制葡萄糖浓度分别为1.25，2.50，3.75，5mM的汗液标准溶液，在亲水性圆孔区滴加2μL按酶试剂与酚试剂1：1配制的成的葡萄糖比色剂进行功能化修饰，干燥后分别滴加2μL不同浓度的葡萄糖标准溶液，反应富集后用智能手机拍摄、记录提取比色反应信息，建立关于葡萄糖的L*a*b*模型，其中L*值表示亮度变化，a*表示从绿到红的变化，b*表示从黄到蓝的变化。如图7所示，L*值随葡萄糖浓度的增加逐渐降低，亮度逐渐变暗，颜色变化逐渐加深，表现出良好的灵敏度，误差限在2-4之间，具有良好的稳定性。显示了生物传感器进行汗液葡萄糖检测的可行性。
实施例4
pH检测：在亲水性圆孔区滴加2μL的石蕊试剂实现功能化修饰，干燥后测定pH分别为6.0，6.5，7.0，7.5，8.0的汗液标准溶液，反应富集后用智能手机拍摄、记录提取比色反应信息，建立关于pH值的L*a*b*模型。本实验中石蕊试剂在酸性范围内(6-7)显示红色，碱性范围内(7-8)显示蓝色，如图8所示，在由酸性到中性的过程中，亮度逐渐增加，颜色逐渐变浅；在由中性向碱性的变化过程中，亮度逐渐减少，颜色逐渐加深，显示了生物传感器进行汗液pH检测的可行性。
实施例5
配制10-15、10-12、10-9、10-6、10-4g/mL的FITC(异硫氰酸荧光素)溶液，在亲水性圆孔区域修饰FITC(2μL)荧光探针，用荧光显微镜拍摄，建立荧光强度随样本浓度变化的关系曲线，如图9所示，荧光强度随样本浓度的增加而增强，显示了生物传感器对分析物荧光检测的可行性。
实施例6
在亲水微流控通道中加入水活性染料CoCl2，它在无水状态下是蓝色的，在水化时变成红色(CoCl2 6H2O)。汗液进入通道后，通道中的颜色会随汗液的流入变成红色，通道宽度为a，厚度为b，汗液流入通道的距离为l,此时汗液量V等于a、b、l三者之积，进行汗液收集的时间可记为t，因此出汗率为体积与时间之比。注意的是，由于进行出汗量统计的通道只有一个汗液进入口，密闭性良好，对于汗液的蒸发量可忽略不计。
针对不同的人群，设计不同尺寸的微流控通道，可以进行个性化统计。图4是柔性生物传感器的实物模拟图。
因此，本发明采用上述结构的一种高机械强度柔性生物传感器的制备及应用，本发明通过对碳酸钙薄膜进行表面改性、图案化处理再进行表面功能化实现了在同一界面上同时具有疏水性与亲水性两种不同的性能，通过加入比色试剂或荧光探针，以此达到构建传感检测区域的目的，实现汗液或其他分析物的高灵敏检测；同时通过设计的微流控通道实现出汗量与出汗率的统计。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：包括以下步骤：
(1)以壳聚糖溶液为前驱体，将其涂敷在玻璃片上形成壳聚糖涂层；
(2)以氯化钙溶液、聚丙烯酸钠盐溶液和碳酸钠溶液混合配置矿化液；
(3)将壳聚糖涂层完全浸入矿化液中诱导碳酸钙定向结晶形成碳酸钙涂层；
(4)将碳酸钙涂层浸入氢氧化钠溶液中脱膜，形成碳酸钙薄膜；
(5)将碳酸钙薄膜浸入十八烷基三氯硅烷溶液中，形成具有疏水性质的疏水层；
(6)将疏水层进行图案化处理，同时形成具有疏水性质的疏水区和具有亲水性质的亲水区，即为高机械强度柔性生物传感器。
2.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(1)壳聚糖溶液的配置为在超纯水中加入壳聚糖和冰乙酸溶液，搅拌、抽滤后得到壳聚糖溶液，4℃以下保存备用，其中壳聚糖与冰乙酸的质量体积比为1g:1mL。
3.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(1)中壳聚糖溶液涂覆到玻璃片上后加热、干燥、浸入氢氧化钠溶液、去离子水冲洗、干燥得到壳聚糖涂层。
4.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(2)中矿化液的配置为在超纯水中加入无水氯化钙搅拌，再加入聚丙烯酸钠盐搅拌；另取超纯水加入无水碳酸钠搅拌；将碳酸钠溶液加入到氯化钙与聚丙烯酸钠盐中形成混合液，搅拌、抽滤得到矿化液。
5.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(3)中涂覆有壳聚糖的玻璃片浸入矿化液后在25℃下水浴6h在壳聚糖表面形成碳酸钙涂层；步骤(4)中将干燥的碳酸钙涂层浸泡于0.05g/mL的氢氧化钠溶液中4h,揭膜，冲洗，在去离子水中浸泡1h，冲洗，放于培养皿中，室温下自然干燥，得到碳酸钙薄膜。
6.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(5)中碳酸钙薄膜经过等离子处理后，再完全浸入十八烷基三氯硅烷溶液中。
7.根据权利要求1所述的一种高机械强度柔性生物传感器的制备，其特征在于：步骤(6)中在疏水层表面用掩膜板盖住，夹子夹紧，经过紫外光照射处理后形成亲水性质的圆孔区和亲水性质的微流控通道。
8.根据权利要求1-7任一项所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，其特征在于：亲水区用于富集汗液，亲水区修饰比色试剂实现汗液的可视化检测。
9.根据权利要求1-7任一项所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，其特征在于：亲水区用于富集样本分析物，亲水区修饰荧光探针实现分析物的荧光检测。
10.根据权利要求7所述制备方法得到的高机械强度柔性生物传感器的应用，其特征在于：微流控通道中加入水活性染料，实现出汗量和出汗率的测定。
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