CN116087112A - 基于液晶的锑离子检测传感器及其制备方法、检测平台 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于液晶的锑离子检测传感器及其制备方法、检测平台，所述基于液晶的锑离子传感器包括基底、液晶取向层、网格、向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体；基底上修饰有液晶取向层，网格位于修饰有液晶取向层的基底上，向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体均位于网格内，且向列相液晶位于阳离子表面活性剂和核酸适配体的下方，阳离子表面活性剂和核酸适配体结合后用于形成诱导表面向列相液晶层平行态排列的组合物，其中，核酸适配体用于和锑离子特异性结合。本发明提供的锑离子检测传感器灵敏度高、检测限低、检测效率高、检测方法简单，且成本低廉，在医学、环境、生物分析等领域具有广阔的发展前景。

Description

基于液晶的锑离子检测传感器及其制备方法、检测平台

技术领域

本发明涉及重金属检测技术领域，具体而言，涉及一种基于液晶的锑离子检测传感器及其制备方法、检测平台。

背景技术

重金属污染物被视为强危害性污染物之首，其毒性强、易蓄积、难以降解，且可沿食物链富集，对生物体造成危害，最终影响到生物多样性。锑是一种有毒的重金属，被认为是环境中最危险的污染物之一，它广泛存在于工业、医疗领域以及日常生活中。对于铅、汞、镉、铬和砷的监测及管控相对成熟，但新增的风险防控对象如铊和锑的相关检测设备较少。

随着含锑化合物的使用越来越多，导致更多的锑被释放到空气、水或土壤中，引发严重的环境毒性和健康问题。锑的毒性主要与其价态和氧化态有关，水环境中锑一般以三价态[Sb(Ⅲ)]和五价态[Sb(Ⅴ)]存在，其中Sb(Ⅲ)的毒性是Sb(Ⅴ)的10倍。因此，制定有效的方法对水环境中锑离子，尤其是对Sb(Ⅲ)进行检测和定量分析具有重要意义。

目前用于锑离子的检测方法主要包括电感耦合等离子体质谱法(ICP-MS)、阳极溶出伏安法、原子吸收光谱法(AAS)、原子荧光光谱法(AFS)、分光光度法、电化学法、比色法和荧光法等。然而，现有技术中的检测方法大多存在一定的局限性，例如，ICP-MS和原子吸收法需要昂贵的设备，分析成本较高，操作过程费时费力，而分光光度法和电化学法的灵敏度相对较低。因此，亟需探索一种灵敏精确、简单快速、成本低廉的水环境中锑离子的检测方法。

发明内容

本发明解决的问题是如何提供一种检测灵敏度高、简单快速、检测成本低廉的基于液晶的锑离子检测传感器。

为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种基于液晶的锑离子检测传感器，包括基底、液晶取向层、网格、向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体；

所述基底上修饰有所述液晶取向层，所述网格位于修饰有所述液晶取向层的所述基底上，所述向列相液晶、所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体均位于所述网格内，且所述向列相液晶位于所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体的下方，所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体结合后用于形成平行于所述基底排列的组合物，其中，所述核酸适配体用于和锑离子特异性结合。

优选地，所述核酸适配体包括poly-A，所述核酸适配体的浓度大于或等于500nM。

优选地，所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵，所述阳离子表面活性剂的浓度大于或等于15μM。

优选地，所述液晶取向层包括N，N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化物。

优选地，所述基底包括玻璃基底或石英基底。

优选地，还包括HEPES缓冲液，所述HEPES缓冲液用于溶解所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体，所述HEPES缓冲液的浓度小于或等于1mM。

优选地，所述向列相液晶包括4-戊基-4’-氰基二联苯。

本发明在基底表面修饰液晶取向层，并将网格置于修饰有修饰液晶取向层的基底上，当向列相液晶加入网格中后，在液晶取向层的作用下，向列相液晶能够垂直于基底排列，阳离子表面活性剂带有正电荷，核酸适配体带有负电荷，两者结合后，能够诱导位于向列相液晶与阳离子表面活性剂、核酸适配体结合界面处的向列相液晶相对于基底平行排列，从而使偏振光学图像呈亮态，而当锑离子存在时，核酸适配体会优先与锑离子结合并发生构象变化，从而将阳离子表面活性剂释放出来，此时阳离子表面活性剂会诱导结合界面处的向列相液晶相对于基底垂直排列，从而使偏振光学图像呈暗态，锑离子的浓度越高，被释放出来的阳离子表面活性剂越多，其暗态也更加明显，因此，可以根据偏振光学图像的明暗状态判断锑离子的浓度，由于核酸适配体与锑离子的结合非常敏感，对锑离子浓度检测的灵敏度更高，检测限更低。本发明提供的基于液晶的锑离子检测传感器灵敏度高、检测限低、检测效率高、检测方法简单，且成本低廉，在医学、环境、生物分析等领域具有广阔的发展前景。

另一方面，本发明提供一种基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法，用于制备如上所述的基于液晶的锑离子检测传感器，包括以下步骤：

步骤S1、在基底上修饰液晶取向层，得到预处理基底；

步骤S2、将网格置于所述预处理基底上，然后将向列相液晶滴加至所述网格中，使所述向列相液晶垂直于所述基底排列，形成向列相液晶薄膜；

步骤S3、将阳离子表面活性剂和核酸适配体混合得到混合溶液，将所述混合溶液加入所述网格中，使所述混合溶液位于所述向列相液晶薄膜的上方，得到基于液晶的锑离子检测传感器。

优选地，所述步骤S1包括：将所述基底进行清洗后，浸泡于液晶取向层溶液中，取出后进行干燥并加热，使所述液晶取向层固定于所述基底上，得到所述预处理基底。

本发明提供的基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法相对于现有技术的有益效果，与基于液晶的锑离子检测传感器相同，在此不再赘述。

另一方面，本发明提供一种锑离子检测平台，包括检测模块、采集上传模块、分析模块和终端模块；

所述检测模块包括如上所述的基于液晶的锑离子检测传感器、光源、起偏器和检偏器，所述光源位于所述基于液晶的锑离子检测传感器下方，所述起偏器位于所述光源和所述基于液晶的锑离子检测传感器之间，所述检偏器位于所述基于液晶的锑离子检测传感器上方；

所述检测模块用于检测待测样品并产生偏振光学图像；

所述采集上传模块用于采集所述偏振光学图像并上传至所述分析模块；

所述分析模块用于分析所述偏振光学图像，并获取所述待测样品的检测结果；

所述终端模块用于输入测试条件，还用于显示和记录所述检测结果。

本发明提供的锑离子检测平台相对于现有技术的有益效果，与基于液晶的锑离子检测传感器相同，在此不再赘述。

附图说明

图1为本发明实施例中基于液晶的锑离子检测传感器中分子的化学结构示意图以及poly-A核酸适配体与Sb³⁺特异性结合原理示意图，其中，(a)为5CB、CTAB、DMOAP的分子结构示意图，(b)为poly-A核酸适配体的碱基序列以及poly-A核酸适配体与Sb³⁺特异性结合的原理示意图；

图2为本发明实施例中基于液晶的锑离子检测传感器在初始状态以及结合Sb³⁺后结构变化和偏振光学图像变化示意图，其中，(a)为向列相液晶在CTAB修饰下的结构示意图，(b)为向列相液晶在CTAB和poly-A核酸适配体混合物修饰下的结构示意图，(c)为向列相液晶在CTAB和poly-A核酸适配体修饰下的基于液晶的锑离子传感器结合Sb³⁺后的结构示意图；(d)为向列相液晶在CTAB修饰下的偏振光学图像，(e)为向列相液晶在CTAB和poly-A核酸适配体修饰下的偏振光学图像，(f)为向列相液晶在CTAB和poly-A核酸适配体修饰下的基于液晶的锑离子传感器结合Sb³⁺后的偏振光学图像；

图3为本发明实施例中不同浓度CTAB条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图，其中，(a)为在CTAB浓度为1μM条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图，(b)为在CTAB浓度为5μM条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图，(c)为在CTAB浓度为10μM条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图，(d)为在CTAB浓度为15μM条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图；

图4为本发明实施例中不同浓度poly-A条件下基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像对比图，其中，(a)为在poly-A浓度为100nM条件下基于液晶的锑离子检测传感器在不同时间下的偏振光学图像对比图，(b)为在poly-A浓度为300nM条件下基于液晶的锑离子检测传感器在不同时间下的偏振光学图像对比图，(c)为在poly-A浓度为500nM条件下基于液晶的锑离子检测传感器在不同时间下的偏振光学图像对比图；

图5为本发明实施例中向列相液晶在15μM CTAB和500nM Poly-A核酸适配体修饰下在不同浓度Sb³⁺下的偏振光学图像对比图，其中，Sb³⁺的浓度分别为(a)0nM，(b)20nM，(c)50nM，(d)100nM，(e)200nM，(f)500nM，(g)800nM，(h)1μM，(i)2μM，(j)3μM，(k)4μM，(l)5μM；

图6为本发明实施例中Sb³⁺浓度与基于液晶的锑离子检测传感器偏振光学图像平均灰度强度变化的关系曲线图；

图7为不同pH值条件下向列相液晶分别在不同修饰下的偏振光学图像对比图，其中，(a)为向列相液晶在15μM CTAB修饰下的偏振光学图像对比图，(b)为向列相液晶在15μMCTAB和500nM Poly-A核酸适配体混合物修饰下的偏振光学图像对比图；(c)为在上述体系下加入Sb³⁺后的偏振光学图像对比图；

图8为在pH值为2的条件下，向列相液晶在不同修饰下的偏振光学图像对比图，其中，(a)为向列相液晶分别在20μM和25μM CTAB修饰下的偏振光学图像对比图；(b)为向列相液晶分别在25μM CTAB和500nM poly-A核酸适配体、25μM CTAB和800nM poly-A核酸适配体修饰下的偏振光学图像对比图；(c)pH值为2时，在25μM CTAB和800nM poly-A核酸适配体的基于液晶的锑离子检测传感器中分别加入1μM和2μM Sb³⁺时向列相液晶的偏振光学图像对比图；

图9为在不同浓度HEPES缓冲液中，向列相液晶在不同修饰下的偏振光学图像对比图，其中，(a)为在不同浓度HEPES缓冲液中，向列相液晶在15μM CTAB修饰下的偏振光学图像对比图，(b)为在不同浓度HEPES缓冲液中，向列相液晶在15μM CTAB和500nM Poly-A核酸适配体混合物修饰下的偏振光学图像对比图；

图10为在100mM HEPES缓冲液中，向列相液晶在不同修饰下的偏振光学图像对比图，其中，(a)为在100mM HEPES缓冲液中，向列相液晶分别在25μM和30μM CTAB修饰下的偏振光学图像对比图，(b)为在100mM HEPES缓冲液中，向列相液晶分别在30μM CTAB和800nMpoly-A核酸适配体、30μM CTAB和1000nM poly-A核酸适配体修饰下的偏振光学图像对比图，(c)为在100mM HEPES缓冲液中，在30μM CTAB和1000nM poly-A核酸适配体修饰下的基于液晶的锑离子检测传感器中分别加入1μM和2μM Sb³⁺后的偏振光学图像对比图；

图11为基于液晶的锑离子检测传感器分别在不同金属离子存在下的光学响应对比图，其中，(a)为基于液晶的锑离子检测传感器分别在不同金属离子存在下的偏振光学图像对比图，(b)为基于液晶的锑离子检测传感器对不同金属离子响应后偏振光学图像的平均灰度强度对比图；

图12为本发明实施例中基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法的流程示意图；

图13为本发明实施例中锑离子检测平台的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面对本发明的具体实施例做详细的说明。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例中的特征可以相互组合。术语“包含”、“包括”、“含有”、“具有”的含义是非限制性的，即可加入不影响结果的其它步骤和其它成分。以上术语涵盖术语“由……组成”和“基本上由……组成”。如无特殊说明的，材料、设备、试剂均为市售。

液晶作为一种新型的信号转换器，已经在化学和生物监测平台上得到广泛的应用，其独特的性质在于兼具液体流动性和晶体的各向异性，在分子排列上具有长程有序性。液晶能够对温度、电场、化学表面活性剂和生物分子等各种外界刺激产生响应。液晶分子的高灵敏度使其取向容易受到分子水平上微小变化的影响，继而影响对光的折射，化学和生物的相互作用被放大和转换为偏振光学显微镜下可见的光学信号，使光学图像的颜色和亮度发生变化。

核酸适配体作为一种功能性核酸，由于其显著的结合亲和力和选择性，被认为是一种有效的金属离子监测探针。寡核苷酸中的磷酸盐和碱基为金属提供了良好的结合位点，且其结构稳定、高度可编程、合成成本低，易于进行体外选择，开发特异性的金属识别序列。

目前已开发出利用电化学法、比色法、荧光法等信号转换机制的基于核酸适配体的重金属离子生物传感器。但上述生物传感器存在一定局限性，如核酸适配体的固定过程复杂、设备昂贵，需要特殊荧光团或化学发光物质用于信号读取等。

此外，现有技术中存在利用核酸适配体共轭金纳米颗粒，建立三价锑离子的比色传感器，但该比色传感器对化学发光材料要求较高、核酸适配体修饰过程复杂、检测限较高等问题。

本发明实施例提供一种基于液晶的锑离子检测传感器，包括基底、液晶取向层、网格、向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体；

所述基底上修饰有所述液晶取向层，所述网格位于修饰有所述液晶取向层的所述基底上，所述向列相液晶、所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体均位于所述网格内，且所述向列相液晶位于所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体的下方，所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体结合后用于形成诱导表面向列相液晶层平行态排列的组合物，其中，所述核酸适配体用于和锑离子特异性结合。

其中，基底包括玻璃基底或石英基底。示例性地，可选择载玻片作为基底。

液晶取向层包括N，N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化物(DMOAP)，将DMOAP修饰于基底表面后，能够诱导向列相液晶垂直于基底排列。

网格包括厚度为10-20μm的金属网格。通过将厚度为10-20μm的金属网格设置于修饰液晶取向层的基底上，能够将向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体均限制在网格内，提高传感器的稳定性，且能够保证传感器的性能。示例性地，可选择TEM栅格作为网格。

所述向列相液晶包括4-戊基-4’-氰基二联苯(5CB)，5CB的晶态范围为22-35℃，适于在常温状态下的应用。

所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)，所述核酸适配体包括poly-A，其中，poly-A即为聚腺苷酸，由多个腺嘌呤核苷酸(A)组成。示例性地，poly-A可以为10个腺嘌呤核苷酸组成的寡聚核苷酸链。CTAB带正电荷，poly-A带负电荷，两者能够通过静电吸附作用相互结合。其中，阳离子表面活性剂的浓度大于或等于15μM，核酸适配体的浓度大于或等于500nM。当阳离子表面活性剂的浓度大于或等于15μM，在不存在核酸适配体的情况下，能够维持向列相液晶的垂直取向，而核酸适配体的浓度大于或等于500nM，可以保证核酸适配体与阳离子表面活性剂充分结合，从而形成平行于所述基底排列的组合物，并且在两者结合后，能够诱导向列相液晶与阳离子表面活性剂结合界面处的向列相液晶平行于基底排列，且能够保持良好的稳定性。

需要说明的是，本发明实施例的上述和下述内容中，单位M表示mol/L，即摩尔每升，例如，nM表示nmol/L，μM表示μmol/L。

金属离子容易与寡核苷酸探针结合，而对于锑离子，三价锑离子Sb³⁺与寡核苷酸具有高亲和力，而五价锑离子Sb⁵⁺与寡核苷酸则无相互作用，在此基础上，Sb³⁺与腺嘌呤核苷酸具有更高的亲和力，因此选择poly-A作为核酸适配体，与Sb³⁺的结合能力更强，且特异性高，从而提高传感器检测锑离子的灵敏度，并降低其他金属离子的影响。

应说明的是，在下文中，若无特殊说明，锑离子指代三价锑离子Sb³⁺。

图1中(a)为5CB、CTAB和DMOAP的结构式，图1中(b)为Sb³⁺与poly-A核酸适配体特异性结合的原理示意图，Sb³⁺与poly-A特异性结合后形成络合物，并改变了poly-A的构象。

图2为基于液晶的锑离子检测传感器的示意图，其中图2中(a)为仅存在基底、液晶取向层、向列相液晶5CB和阳离子表面活性剂CTAB状态下的结构示意图，图2中(b)为在图2中(a)基础上增加了核酸适配体poly-A后的结构示意图，图2中(c)为在图2中(b)基础上增加了Sb³⁺后的结构示意图，图2中(d)、图2中(e)和图2中(f)分别对应图2中(a)、图2中(b)和图2中(c)状态下的偏振光学图像。

如图2所示，当仅存在基底、液晶取向层、向列相液晶5CB和阳离子表面活性剂CTAB时，向列相液晶5CB在液晶取向层和阳离子表面活性剂的双重作用下垂直于基底排列，此时偏振光学图像呈现暗态，而加入poly-A核酸适配体后，poly-A核酸适配体和CTAB在静电吸附作用下相互结合，诱导位于界面处的向列相液晶5CB平行于基底排列，此时偏振光学图像呈现亮态，当存在Sb³⁺时，Sb³⁺与poly-A核酸适配体结合，并使poly-A核酸适配体的构象发生变化，将CTAB从两者的结合中释放出来，重新诱导界面处的向列相液晶5CB垂直于基底排列，此时偏振光学图像重新呈现暗态。

在不添加核酸适配体的情况下，分别采用浓度为1μM、5μM、10μM和15μM的CTAB制备基于液晶的锑离子检测传感器，并分别获取各个锑离子检测传感器的偏振光学图像，如图3所示。

图3中(a)、(b)、(c)和(d)分别表示CTAB浓度为1μM、5μM、10μM和15μM条件下的偏振光学图像，从图3中可以看出，随着CTAB浓度的增加，偏振光学图像的亮度逐渐降低，当CTAB的浓度为15μM时，偏振光学图像为全黑且能够保持稳定，表面此时向列相液晶5CB全部维持了垂直取向。因此，阳离子表面活性剂的浓度大于或等于15μM，能够维持向列相液晶的垂直取向，并保持稳定，提高了基于液晶的锑离子检测传感器的性能。

设置CTAB的浓度为15μM，分别添加浓度为100nM、300nM和500nM的poly-A核酸适配体制备锑离子检测传感器，并获取各个基于液晶的锑离子检测传感器在1min、5min、15min和30min时的偏振光学图像，如图4所示。

图4中(a)、(b)和(c)分别表示poly-A浓度为100nM、300nM和500nM条件下的偏振光学图像动态变化情况，从图4中可以看出，当poly-A浓度为500nM时，其偏振光学图像处于稳定状态，至少能够持续30min，从而能够提高基于液晶的锑离子检测传感器的稳定性。因此，poly-A核酸适配体的浓度大于或等于500nM，能够保证基于液晶的锑离子检测传感器的稳定性。

为了验证本发明实施例中基于液晶的锑离子检测传感器的检测限和检测范围，采用浓度为15μM的CTAB和浓度为500nM的poly-A制备基于液晶的锑离子检测传感器，分别采用含有Sb³⁺浓度为0、20nM、50nM、100nM、200nM、500nM、800nM、1μM、2μM、3μM、4μM和5μM的溶液进行测试，并获取偏振光学图像，如图5所示。

根据前述内容，当Sb³⁺存在时，Sb³⁺能够与基于液晶的锑离子检测传感器中的poly-A特异性结合，并导致poly-A的构象发生变化，诱导向列相液晶方向发生改变，从而使偏振光学图像发生变化。当Sb³⁺加入基于液晶的锑离子检测传感器后，10s内便能够观察到偏振光学图像发生变化，且在60s内能够达到稳定状态。因此，采用本发明实施例提供的基于液晶的锑离子检测传感器能够快速高效的检测锑离子。

图5中(a)、(b)、(c)、(d)、(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)和(l)分别表示采用含有Sb³⁺浓度为0、20nM、50nM、100nM、200nM、500nM、800nM、1μM、2μM、3μM、4μM和5μM的溶液进行测试时的偏振光学图像，从图5可以看出，当Sb³⁺浓度为20nM时，基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像即开始发生变化，偏振光学图像亮度降低，并随着Sb³⁺浓度的逐渐升高，偏振光学图像的亮度逐渐降低，此时对应着界面处的向列相液晶分子由平行于基底的状态逐渐向垂直于基底的状态转变，当Sb³⁺的浓度为5μM时，所有网格几乎全部变为暗态，意味着此时界面处的向列相液晶已全部形成垂直取向，继续增加Sb³⁺的浓度不会继续导致偏振光学图像的变化。

进一步地，通过对不同浓度Sb³⁺下的偏振光学图像的平均灰度值进行计算，实现对Sb³⁺的定量分析。利用OpenCV图像处理工具，建立偏振光学图像平均灰度值自动测量系统，将RGB图像转换为灰度图，得到不同浓度下偏振光学图像的平均灰度值I。通过对相同条件下不同样品进行多次测量，得到了不同浓度Sb³⁺条件下(I₀-I)/(I₀)的标准差，并绘制线性拟合曲线，其中I₀表示无Sb³⁺存在时基于液晶的锑离子检测传感器的初始灰度强度，I表示加入不同浓度Sb³⁺后的灰度值。结果如图6所示，(I₀-I)/I₀＝0.134*C(Sb³⁺)+0.040，R²＝0.98。从图6中可以看出，(I₀-I)/I₀的值与Sb³⁺的浓度存在良好的线性关系。

因此，本发明实施例提供的基于液晶的锑离子检测传感器对Sb³⁺的检测范围为20nM-5μM，检测限(LOD)为20nM。本发明实施例提供的基于液晶的锑离子检测传感器具有较高的灵敏度，且能够在较宽的范围内检测锑离子。

金属盐的溶解度与水环境的pH存在密切关系，且不同pH条件下离子强度也存在差异。控制基于液晶的锑离子检测传感器中pH，验证在不同pH条件下基于液晶的锑离子检测传感器对Sb³⁺的响应情况。如图7所示，基于液晶的锑离子检测传感器中CTAB浓度设置为15μM，分别设置pH为2、3、4、5、7和8，从图7中(a)可以看出，当pH为7和8时，基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像呈完全暗态，而其他pH条件下则存在一定亮态，然后向各个处理中分别加入浓度为500nM的poly-A核酸适配体，从图7中(b)可以看出，此时所有pH条件下的偏振光学图像均会由暗变亮，其中，当pH为7时，前后暗亮差异最明显，然后分别加入Sb³⁺，则会使偏振光学图像重新由亮变暗，从图7中(c)可以看出，当pH为7时，前后亮暗差异最明显。因此，将基于液晶的锑离子检测传感器中pH控制在7能够产生更大的对比度，有利于提高检测敏感度，提高检测性能。

根据金属盐溶解度与水环境中pH的关系，以及不同pH条件下离子强度存在差异的情况。针对不同pH条件，调整阳离子表面活性剂和核酸适配体的浓度有助于保证基于液晶的锑离子检测传感器在不同pH条件下均能获得更好的检测性能。

为此，如图8所示，在pH为2的环境中，分别设置CTAB的浓度为20μM和25μM，从图8中(a)可以看出，当CTAB浓度为25μM时，锑离子检测传感器的偏振光学图像呈现完全暗态，然后分别添加浓度为500nM和800nM的poly-A，从图8中(b)可以看出，当poly-A浓度为800nM时，基于液晶的锑离子检测传感器偏振光学图像的暗亮状态差异更大，再分别加入1μM和2μM的Sb³⁺，可以看出与加入前的状态均出现变化，当CTAB浓度为25μM，poly-A浓度为800nM，从图8中(c)可以看出，Sb³⁺浓度为2μM时，前后差异更大。因此，当pH发生变化时，通过调整CTAB和poly-A的浓度，能够得到更好的条件，从而保证基于液晶的锑离子检测传感器的检测效果。

在一个实施例中，阳离子表面活性剂以及核酸适配体使用HEPES缓冲液进行配制和稀释，即，所述HEPES缓冲液用于溶解所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体，所述HEPES缓冲液的浓度小于或等于1mM。

当HEPES缓冲液的浓度不同时，其离子强度也存在差异，从而也会对界面处向列相液晶的排列产生一定影响。如图9所示，分别设置基于液晶的锑离子检测传感器中HEPES缓冲液的浓度为1mM、10mM、50mM和100mM，然后加入浓度为15μM的均CTAB，从图9中(a)可以看出，在所有HEPES缓冲液浓度条件下，基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像均呈暗态，然后继续加入浓度为500nM的poly-A核酸适配体，从图9中(b)可以看出，当HEPES缓冲液浓度为1mM时，基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像明显由暗态转换为亮态，而随着HEPES缓冲液浓度不断升高，前后暗亮状态的对比度越低。这主要是由于，当HEPES缓冲液浓度过高时，离子强度较高，导致阳离子表面活性剂CTAB的头部基团电荷的静电相互作用被屏蔽，从而形成了排列更加致密的阳离子表面活性剂层。因此，HEPES缓冲液的浓度小于或等于1mM时，基于液晶的锑离子检测传感器具有更好的性能。

同样，在不同HEPES缓冲液浓度条件下，调整阳离子表面活性剂和核酸适配体的浓度也有助于保证基于液晶的锑离子检测传感器在不同HEPES缓冲液浓度条件下均能获得更好的检测性能。

为此，如图10所示，在HEPES缓冲液浓度为100mM的条件下，分别设置CTAB的浓度为20μM和30μM，从图10中(a)可以看出，当CTAB浓度为30μM时，基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像呈现完全暗态，然后分别添加浓度为800nM和1000nM的poly-A，从图10中(b)可以看出，当poly-A浓度为1000nM时，基于液晶的锑离子检测传感器偏振光学图像的暗亮状态差异更大，再分别加入1μM和2μM的Sb³⁺，可以看出与加入前的状态均出现变化，从图10中(c)可以看出，当CTAB浓度为30μM，poly-A浓度为1000nM，Sb³⁺浓度为2μM时，前后差异更大。因此，当HEPES缓冲液浓度发生变化时，通过调整CTAB和poly-A的浓度，能够得到更好的条件，从而提高基于液晶的锑离子检测传感器的检测能力。

综上所述，本发明实施例中基于液晶的锑离子检测传感器中，阳离子表面活性剂包括CTAB，CTAB的优选浓度大于或等于15μM，核酸适配体包括poly-A，poly-A的优选浓度大于或等于500nM，向列相液晶包括5CB，pH优选设置为7，优选使用HEPES缓冲液用于配制和稀释阳离子表面活性剂和核酸适配体，HEPES缓冲液的优选浓度小于或等于1mM。

应理解的是，当pH条件发生或HEPES缓冲液浓度发生变化时，可以通过调整阳离子表面活性剂和核酸适配体的浓度使锑离子检测传感器的性能。因此，上述优选范围不作为限制本发明保护范围的条件。

为了验证本发明实施例提供的锑离子检测传感器对Sb³⁺的特异性，分别向基于液晶的锑离子检测传感器(其中，CTAB的浓度为15μM，poly-A的浓度为500nM)中加入2μM的Sb^{3 +}、Ag⁺、Cd²⁺、Cu²⁺、Fe³⁺、K⁺、Mg²⁺、Mn²⁺、Na⁺、Pb²⁺和Zn²⁺，得到基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像并计算对应的平均灰度值，结果如图11所示。

如图11中(a)，Initial表示基于液晶的锑离子检测传感器的初始状态，除了Sb³⁺之外，其他金属离子存在时，偏振光学图像的亮度基本保持不变，而Sb³⁺存在时，亮度显著降低。图11中(b)为不同金属离子加入后偏振光学图像的平均灰度强度对比图，从图11中(b)可以看出，Sb³⁺的值显著低于其他金属离子。

因此，本发明实施例提供的基于液晶的锑离子检测传感器对Sb³⁺具有良好的选择性，减少其他金属离子的干扰。

本发明的另一实施例提供一种基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法，用于制备如上所述的基于液晶的锑离子检测传感器，如图12所示，包括以下步骤：

步骤S1、在基底上修饰液晶取向层，得到预处理基底；

步骤S2、将网格置于所述预处理基底上，然后将向列相液晶滴加至所述网格中，使所述向列相液晶垂直于所述基底排列，形成向列相液晶薄膜；

步骤S3、将阳离子表面活性剂和核酸适配体混合得到混合溶液，将所述混合溶液加入所述网格中，使所述混合溶液位于所述向列相液晶薄膜的上方，得到基于液晶的锑离子检测传感器。

步骤S1中，将所述基底进行清洗后，浸泡于液晶取向层溶液中，取出后进行干燥并加热，使所述液晶取向层固定于所述基底上，得到所述预处理基底。

示例性地，采用5％(v/v)Decon90溶液清洗基底，然后采用大量去离子水冲洗。接下来，将基底置于0.1％(v/v)DMOAP溶液中浸泡30min后用去离子水冲洗数次，去除多余的DMOAP，在氮气气氛下干燥，并在烘箱中，100℃条件下加热2h，得到修饰有液晶取向层的基底，即为预处理基底。

步骤S2中，示例性地，在预处理基底上放置TEM栅极，并在TEM栅极内滴入1μL 5CB向列相液晶，用毛细管去除多余的向列相液晶，形成向列相液晶薄膜。

步骤S3中，示例性地，用浓度为1mM，pH为7.4的HEPES缓冲液配制CTAB、poly-A核酸适配体水溶液，将CTAB和poly-A稀释至合适的浓度，然后将CTAB和poly-A混合得到混合溶液，为了保证两者充分结合，可静置培养1h后再滴加至TEM栅极中，使混合溶液位于向列相液晶薄膜上方。

本发明的再一实施例提供一种锑离子检测平台，包括检测模块、采集上传模块、分析模块和终端模块；

所述检测模块包括如上所述的基于液晶的锑离子检测传感器、光源、起偏器和检偏器，所述光源位于所述基于液晶的锑离子检测传感器下方，所述起偏器位于所述光源和所述基于液晶的锑离子检测传感器之间，所述检偏器位于所述基于液晶的锑离子检测传感器上方；

所述检测模块用于检测待测样品并产生偏振光学图像；

所述采集上传模块用于采集所述偏振光学图像并上传至所述分析模块；

所述分析模块用于分析所述偏振光学图像，并获取所述待测样品的检测结果；

所述终端模块用于输入测试条件，还用于显示和记录所述检测结果。

其中，检测模块包括上述基于液晶的锑离子检测传感器，光源、起偏器和检偏器用于获取偏振光学图像。

采集上传模块可以为CCD相机或手机摄像头，采集的偏振光学图像可以上传至云端服务器进行存储和分析处理。

示例性地，分析模块为在云端服务器中构建的深度智能模型，能够根据偏振光学图像的灰度值分析样品中锑离子的浓度。

终端模块用于输入测试条件，并用于显示和记录检测结果。

在一个实施例中，锑离子检测平台的结构示意图如图13所示，LED光源位于基于液晶的锑离子检测传感器的玻璃基底下方，起偏器位于LED光源和玻璃基底之间，检偏器位于基于液晶的锑离子检测传感器上方，在基于液晶的锑离子检测传感器中加入样品后，采用手机摄像头采集偏振光学图像并上传至分析模块进行分析处理。

其中，在一个实施例中，用于分析锑离子浓度的深度智能模型的构建过程，包括：

在不同角度、不同锑离子深度、采用不同LED光源情况下采集大量基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像，通过图像定位、边缘识别方法提取单个网格作为独立的实例，将锑离子浓度与样本图片进行映像，构建模型训练集和测试数据集；选择特征提取器提取样本图片中的关键特征，输入卷积神经网络中，训练锑离子浓度识别模型，即为深度智能模型，能够用于根据基于液晶的锑离子检测传感器的偏振光学图像分析未知样品中锑离子的浓度。

虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，包括基底、液晶取向层、网格、向列相液晶、阳离子表面活性剂和核酸适配体；

所述基底上修饰有所述液晶取向层，所述网格位于修饰有所述液晶取向层的所述基底上，所述向列相液晶、所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体均位于所述网格内，且所述向列相液晶位于所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体的下方，所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体结合后用于形成诱导表面向列相液晶层平行态排列的组合物，其中，所述核酸适配体用于和锑离子特异性结合。

2.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，所述核酸适配体包括poly-A，所述核酸适配体的浓度大于或等于500nM。

3.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，所述阳离子表面活性剂包括十六烷基三甲基溴化铵，所述阳离子表面活性剂的浓度大于或等于15μM。

4.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，所述液晶取向层包括N，N-二甲基-N-十八烷基-3-氨丙基三甲氧基甲硅烷基氯化物。

5.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，所述基底包括玻璃基底或石英基底。

6.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，还包括HEPES缓冲液，所述HEPES缓冲液用于溶解所述阳离子表面活性剂和所述核酸适配体，所述HEPES缓冲液的浓度小于或等于1mM。

7.根据权利要求1所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，所述向列相液晶包括4-戊基-4’-氰基二联苯。

8.一种基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法，用于制备如权利要求1-7任一项所述的基于液晶的锑离子检测传感器，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1、在基底上修饰液晶取向层，得到预处理基底；

步骤S2、将网格置于所述预处理基底上，然后将向列相液晶滴加至所述网格中，使所述向列相液晶垂直于所述基底排列，形成向列相液晶薄膜；

步骤S3、将阳离子表面活性剂和核酸适配体混合得到混合溶液，将所述混合溶液加入所述网格中，使所述混合溶液位于所述向列相液晶薄膜的上方，得到基于液晶的锑离子检测传感器。

9.根据权利要求8所述的基于液晶的锑离子检测传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：将所述基底进行清洗后，浸泡于液晶取向层溶液中，取出后进行干燥并加热，使所述液晶取向层固定于所述基底上，得到所述预处理基底。

10.一种锑离子检测平台，其特征在于，包括检测模块、采集上传模块、分析模块和终端模块；

所述检测模块包括如权利要求1-7任一项所述的基于液晶的锑离子检测传感器、光源、起偏器和检偏器，所述光源位于所述基于液晶的锑离子检测传感器下方，所述起偏器位于所述光源和所述基于液晶的锑离子检测传感器之间，所述检偏器位于所述基于液晶的锑离子检测传感器上方；

所述检测模块用于检测待测样品并产生偏振光学图像；

所述采集上传模块用于采集所述偏振光学图像并上传至所述分析模块；

所述分析模块用于分析所述偏振光学图像，并获取所述待测样品的检测结果；

所述终端模块用于输入测试条件，还用于显示和记录所述检测结果。

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