CN210108950U - 对铜离子特异性检测的传感器用芯片、传感器和传感装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种对铜离子特异性检测的传感器用芯片、传感器和传感装置。在所述芯片的载体基片表面与其金属膜之间设有磁性TiO2膜；所述金属膜的另一表面设有磁性聚苯胺纳米粒子‑壳聚糖膜。同时还提供了含有该芯片的对铜离子特异性检测的传感器，通过在磁性聚苯胺纳米粒子‑壳聚糖膜表面经化学修饰形成巯基层，巯基与铜离子形成配合物，可对铜离子产生有效的选择性特异性吸附，从而能够高灵敏地从多种离子存在的溶液中识别出痕量铜离子，拓宽棱镜SPR传感器在铜离子特异性痕量检测中的应用，具有强大的推广应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及物理光学、棱镜的表面等离子共振(SPR)技术、高分子材料、薄膜材料制备的交叉技术领域。具体地，涉及一种对铜离子特异性检测的传感器用芯片、传感器和传感装置。
背景技术
随着我国社会的快速发展，时常有水和土壤受到重金属污染的现象。重金属很难降解，通过饮用水或食物链被人体吸收后，日积月累，重金属离子不断的沉积和富集于人体内，最终危及人们的健康。铜是其中一种重金属，参与体内的重要代谢和生理过程，是人体必不可少的微量元素，机体内铜的缺乏或对铜的过量摄取都将导致诸如肝功能衰竭、头痛、溶血性贫血、胃病、Wilson氏病、Menke 氏病等病症。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。
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，但是检测繁琐，缺点不少，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CN103588199A，公开(公告)日2014.02.19，公开了一种原位金属催化分解、转移石墨烯薄膜材料的制备方法，其具体步骤是：将聚甲基丙烯酸甲醋(PMMA)溶解在丙酮溶液中，再把PMMA溶液滴在金属衬底上，形成一层PMMA薄膜：将石英基底置于PMMA薄膜之上，放入纯度99.99％的氮气氛围的返火炉中高温返火，PMMA薄膜在金属的催化作用下分解生成石墨烯薄膜，石墨烯薄膜在高温下被蒸发转移至石英基底。但该技术每次转移只能生成一个覆盖有石墨烯的石英基底，不适合大批量生产，且需要金属催化与高温返火，成本较高。
实用新型内容
本实用新型的首要目的是克服上述现有技术的缺陷和不足，提供一种对铜离子特异性检测的传感器用芯片。
本实用新型的另一目的是提供一种对铜离子特异性检测的传感器。
本实用新型的再一目的是提供一种对铜离子特异性检测的传感装置。
本实用新型上述目的通过以下技术方案实现：
一种对铜离子特异性检测的传感器用芯片，在所述芯片的载体基片表面与其金属膜之间增覆磁性TiO2膜；所述金属膜的另一表面增覆有磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜。
本实用新型中，一方面，所述磁性聚苯胺纳米粒子与磁性TiO2膜产生磁性吸引力，从而增强薄膜的牢固强度；另一方面磁性纳米粒子外表面的聚苯胺能够与修饰有醛基的、且可与待检测的重金属离子产生特异性结合的基团结合，从而具备重金属离子的特异性结合位点，对重金属离子产生特异性吸附。本实用新型所述棱镜SPR重金属离子传感器用芯片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镀磁性TiO2膜，同时在金属膜表面增覆有大量磁性纳米粒子的修饰膜，TiO2膜的磁性对金属膜表面的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。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述金属膜由上至下由银膜和金膜组成。银膜和金膜用于产生SPR，同时通过优化银膜和金膜的厚度，以提高传感器芯片检测重金属离子的灵敏度。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述磁性TiO2膜的厚度为2～5nm。
更进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述磁性TiO2膜的增覆方式为脉冲沉积。
更进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述磁性TiO2膜为掺铁磁性TiO2膜。所述掺铁磁性TiO2膜的制备方法可参考文献(Zhenjun Wang，Jinke Tang， Le Duc Tung，Weilie Zhou，Leonard Spinu.Ferromagnetism and transport properties of Fe-dopedreduced-rutile TiO2-δ thin films.Journal of Applied Physics， 93(10):7870-7872)等现有常规方法制备。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述银膜的厚度为25～35nm。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述金膜的厚度为10～20nm。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，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，在本实用新型较佳的实施例中，所述银膜采用真空溅镀膜方式增覆。
更进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述金膜采用磁控溅射镀膜方式增覆。
进一步，在本实用新型较佳的实施例中，所述磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜的厚度为5～50nm。
本实用新型还提供了一种对铜离子特异性检测的传感器，包括依次设置的玻璃棱镜、折射率匹配液以及上述的芯片，所述芯片的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜表面增设有巯基层。巯基层中的巯基对铜离子产生特异性吸附，最终实现铜离子的特异性痕量检测。
当用于铜离子的检测时，金属膜表面上固定的修饰改性后的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜具特异识别铜离子的巯基，监控溶液中的被分析物与巯基的结合过程，在配合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化，随即被棱镜SPR重金属离子传感器检测出来。
本实用新型还提供了一种对铜离子特异性检测的传感装置，包括顺序连接的激光器、棱镜激发的所述对铜离子特异性检测的棱镜SPR重金属离子传感器和光谱检测仪；利用激光器发出的P偏振光激发表面等离子共振现象，通过磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜中的巯基对铜离子的特异性结合从而造成有效折射率变化，由光谱检测仪接收共振角变化，采用表面等离子共振原理以及巯基与有效折射率关系得到铜离子变化量。
与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：
(1)本实用新型所述传感器用芯片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镀磁性TiO2膜，同时在金属膜表面增覆有大量磁性纳米粒子的修饰膜，TiO2膜的磁性对金属膜表面的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。
(2)本实用新型在磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜上修饰固定的巯基层，可对铜离子产生有效的选择性特异性吸附，形成配合物，使得本实用新型的传感器能够高灵敏地从多种离子存在的溶液中识别出痕量铜离子；可容易通过调节磁性 TiO2膜、金属膜、磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜的厚度达到最佳增敏SPR传感器的效果，从而拓宽棱镜SPR传感器在铜离子特异性痕量检测领域中的应用范围，是一种简单易行且有效的实用技术。
附图说明
图1为对铜离子特异性检测的传感器的示意图。
图2为基于表面等离子共振原理的铜离子特异性检测传感装置的示意图。
其中，1-折射率匹配液；2-载体基片；3-磁性TiO2膜；4-银膜；5-金膜；6- 磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜；7-玻璃棱镜；10-激光器；20-棱镜激发的对铜离子特异性检测的传感器；30-光谱检测仪。
具体实施方式
为了便于理解本实用新型，下面将对本实用新型进行更全面的描述，其中给出了本实用新型的较佳实施例。但是，本实用新型可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。在不背离本实用新型精神和实质的情况下，对本实用新型方法、步骤或条件所作的简单修改或替换，均属于本实用新型的范围；若未特别指明，实施例中所用的技术手段为本领域技术人员所熟知的常规手段。
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1一种对铜离子特异性检测的传感器
如图1所示，一种对铜离子特异性检测的传感器，包括依次设置的玻璃棱镜 7、折射率匹配液1以及传感器芯片，该传感器芯片由上至下依次由载体基片2、磁性TiO2膜3、银膜4、金膜5和磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6组成。
其中，在SPR棱镜的全反射面，采用脉冲沉积技术制备具有铁磁性的掺铁磁性TiO2膜3，磁性TiO2膜3的厚度为2nm；采用真空溅镀的方法在SPR棱镜的磁性TiO2膜3表面增覆厚度为25nm的银膜4；然后采用磁控溅射镀膜的方法在银膜4表面增覆厚度为10nm的金膜5。
采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面金膜5表面设置有厚度为5nm的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6，且在磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6表面增设有巯基层，巯基层中的巯基对铜离子产生特异性吸附，最终实现铜离子的特异性痕量检测。
当用于铜离子的检测时，金属膜表面上固定的修饰改性后的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜具特异识别铜离子的巯基，监控溶液中的被分析物与巯基的结合过程，在配合物形成或解离过程中，金属膜表面溶液的折射率发生变化，随即被棱镜SPR重金属离子传感器检测出来。
实施例2一种对铜离子特异性检测的传感器
如图1所示，一种对铜离子特异性检测的传感器，包括依次设置的玻璃棱镜 7、折射率匹配液1以及传感器芯片，该传感器芯片由上至下依次由载体基片2、磁性TiO2膜3、银膜4、金膜5和磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6组成。
其中，在SPR棱镜的全反射面，采用脉冲沉积技术制备具有铁磁性的掺铁磁性TiO2膜3，磁性TiO2膜3的厚度为5nm；采用真空溅镀的方法在SPR棱镜的磁性TiO2膜3表面增覆厚度为35nm的银膜4；然后采用磁控溅射镀膜的方法在银膜4表面增覆厚度为20nm的金膜5。
采用旋涂法在SPR棱镜的全反射面金膜5表面设置有厚度为50nm的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6，且在磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜6表面增设有巯基层，巯基层中的巯基对铜离子产生特异性吸附，最终实现铜离子的特异性痕量检测。
实施例3一种基于表面等离子共振原理的铜离子特异性检测传感装置
如图2所示，一种基于表面等离子共振原理的铜离子特异性检测传感装置，包括顺序连接的激光器10、上述实施例1～2中任一棱镜激发的对铜离子特异性检测的传感器20和光谱检测仪30。
利用激光器发出的P偏振光激发表面等离子共振现象，通过磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜中的巯基对铜离子的特异性结合从而造成有效折射率变化，由光谱检测仪接收共振角变化，采用表面等离子共振原理以及巯基与有效折射率关系得到铜离子变化量。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件。
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制。
上述实施例为本实用新型较佳的实施方式，但本实用新型的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本实用新型的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，在所述芯片的载体基片(2)表面与其金属膜之间设有磁性TiO2膜(3)；所述金属膜的另一表面设有磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜(6)。
2.根据权利要求1所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述金属膜包括银膜(4)和金膜(5)。
3.根据权利要求2所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述银膜(4)的厚度为25～35nm。
4.根据权利要求2所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述金膜(5)的厚度为10～20nm。
5.根据权利要求1所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述磁性TiO2膜(3)的厚度为2～5nm。
6.根据权利要求1所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述磁性TiO2膜(3)为掺铁磁性TiO2膜。
7.根据权利要求1所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜(6)的厚度为5～50nm。
8.一种对铜离子特异性检测的传感器，包括依次设置的玻璃棱镜(7)、折射率匹配液(1)以及上述权利要求1～7中任一所述对铜离子特异性检测的传感器用芯片，其特征在于，所述芯片的磁性聚苯胺纳米粒子-壳聚糖膜(6)表面增设有巯基层。
9.一种对铜离子特异性检测的传感装置，其特征在于，包括顺序连接的激光器(10)、权利要求8所述对铜离子特异性检测的传感器(20)和光谱检测仪(30)。
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| CN109883999A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 广东海洋大学 | 一种对铜离子特异性检测的棱镜spr重金属离子传感器及其制备方法 |
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- 2019-04-02 CN CN201920444413.7U patent/CN210108950U/zh active Active
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| CN109883999A (zh) * | 2019-04-02 | 2019-06-14 | 广东海洋大学 | 一种对铜离子特异性检测的棱镜spr重金属离子传感器及其制备方法 |
| CN109883999B (zh) * | 2019-04-02 | 2023-11-14 | 广东海洋大学 | 一种对铜离子特异性检测的棱镜spr重金属离子传感器及其制备方法 |
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