CN107515196A - 葡萄糖检测用二维光子晶体 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用二维光子晶体检测葡萄糖的方法，属于应用化学及临床分析化学领域。本发明的方法首先在水面上得到单层排布的PS二维光子晶体，再用基片将其捞出，得到二维光子晶体膜片；然后将胶体预聚液滴加在膜片上，再在其上覆盖一层相同大小的玻片，紫外聚合；将聚合后包埋二维光子晶体的凝胶膜取下用苯硼酸进行改性，得到的对葡萄糖具有特异性吸附能力的凝胶膜。该二维光子晶体凝胶膜可直接通过颜色变化观察葡萄糖浓度的变化，达到了方便、快速的检测目的。

Description

葡萄糖检测用二维光子晶体

技术领域

本发明涉及一种利用二维光子晶体检测葡萄糖的方法，属于应用化学及临床分析化学领域。

背景技术

光子晶体(Photonic Crystal)是由不同折射率的介质周期性排列而成的人工微结构，其周期性排列的重复结构单元是以光波长量级为尺度的，并根据其重复结构循环维数，可分为一维、二维和三维光子晶体^[1]。在光子晶体中，不同的折光指数的结构单元经过周期性排列也可以控制一定频率下的光的传播。光子带隙(光子禁带)则是指一个频率范围。频率在此范围的电磁波并不能在光子晶体内传播，而频率在此范围之外的电磁波则可以在光子晶体里几乎无损的进行传播。带隙的宽度和位置同光子晶体的折光指数、周期排列的结构尺寸、排列规则均有关系。简单地说，光子晶体具有波长选择的功能，可以有选择地使某个波段的光通过而阻止其它波长的光通过其中^[2]。近年来，光子晶体作为一种特殊的光学材料，不仅在物理、电子和光学等领域得到了广泛的关注^[3]，并且越来越多的应用于化学及生物等方面^[4]。智能水凝胶是一种能把外界环境刺激作为信号(如温度、湿度、pH^[5]、葡萄糖浓度等)，从而引起自身三维网状结构发生改变的聚合物。其中，葡萄糖敏感型水凝胶即可以以葡萄糖作为刺激条件，通过改变葡萄糖的浓度，使凝胶自身发生收缩或膨胀的相转变的一种凝胶。

本发明将光子晶体与智能水凝胶结合起来，产生的对葡萄糖响应 的光子晶体智能水凝胶，不仅可以灵敏的对葡萄糖浓度进行检测，而且由于光子晶体的特殊光学性质，还为“裸眼检测”及临床检测的微型化和非侵入行提供了可能性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可以快速便捷检测体液中葡萄糖含量的方法，来代替高成本、侵入式的复杂的传统检测手段。

本发明的目的通过以下技术方案实现：

本发明的葡萄糖检测用二维光子晶体，合成该晶体的具体步骤如下：

1)将盖玻片浸泡在体积比为7∶3的浓H₂SO₄/H₂O₂混合溶液中12小时以上，再用去离子水冲洗3次以上，吹干备用。

2)将580nm-620nm的PS胶体小球，用去离子水稀释至质量分数为15-25％，再加入上述溶液体积1/3的正丙醇溶液，超声分散10min以上；通过尖端导流法使PS悬浮液在水面上排布二维光子晶体，再用亲水化处理的玻片将光子晶体捞出，晾干备用。

3)在10mL离心管中加入丙烯酰胺(AM)0.36g(5.04mmol)，丙烯酸(AA)8.5μL(0.56mmol)，N，N-二甲基双丙烯酰胺(BIS)10mg(0.065mmol)，28μL浓度为10％的2，2-二乙氧基苯乙酮(DEAP)的二甲基亚砜(DMSO)溶液(含DEAP 13.6μmol)和2mL水，超声10分钟使其全部溶解。再通入N₂10分钟去除O₂，密封。

4)将凝胶预聚液滴加到第二步得到的光子晶体膜片上，再在其上盖上同样大小的洁净玻片，通过毛细作用使凝胶预聚液在两层玻片中间均匀排布。再将其置于2-5℃温度下恒温紫外聚合60-120分钟。

5)将上述聚合后得到的包埋了二维光子晶体的凝胶从玻璃片上揭下来，切成边长0.5-1.0cm的正方形小块，在去离子水中浸泡洗涤12小时以上。

6)配制浓度为25mM的EDC·HCl(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基 碳二亚胺盐酸盐)和25mM 3-PBA(3-氨基苯硼酸)的水溶液，超声20分钟以上使其全部溶解。后将上述凝胶放入其中，0℃条件下反应3小时以上，得到3-PBA功能化的二维光子晶体凝胶膜。

7)将上述凝胶置于去离子水中，摇床水洗12小时以上。

本发明合成的葡萄糖检测用二维光子晶体在检测葡萄糖溶液浓度的应用如下：

1)配制浓度梯度葡萄糖缓冲溶液，将本发明合成的二维光子晶体凝胶膜分别置于浓度梯度葡萄糖缓冲溶液中，静置10分钟以上，通过激光笔测定膜的德拜环大小，再通过公式计算出其粒子间距，得到粒子间距-葡萄糖浓度的标准变化曲线。

有益效果

本发明将智能水凝胶与光子晶体技术相结合，发展出二维胶体晶体，具有智能凝胶与光子晶体两项技术优点；本发明的经苯硼酸改性的凝胶对于葡萄糖具特异性吸附性能，可以带动聚苯乙烯光子晶体间距改变。随着葡萄糖浓度增加，聚苯乙烯间距减小。其变化可以通过德拜环大小进行检测，也可直接裸眼观察到光子晶体结构色的改变，从而达到对葡萄糖快速、便捷的检测目的。

附图说明

图1为实施例1中浓度梯度葡萄糖加入二维光子晶体凝胶后得到的粒子间距-葡萄糖浓度变化曲线

具体实施方式

实例1

本发明的葡萄糖检测用二维光子晶体的合成方法，具体步骤如下：

1)取250mL的烧杯，加入30mL H₂O₂溶液和70mL质量分数为98％的H₂SO₄溶液。将60mm×24mm×0.13mm的盖玻片轻放入配制的溶液中，浸泡24小时进行亲水化处理。再将处理后的玻片用去离 子水洗涤3次，吹干备用。

2)取直径为600nm的PS微球用去离子水稀释至质量分数为15％，再加入再加入上述溶液体积1/3的正丙醇溶液，超声分散10分钟。用移液枪量取20μL上述溶液，在直径为10cm的玻璃缸中装满水，使移液枪头刚刚触及水的表面。将PS溶液通过移液枪头尖端缓缓输送到水表面。PS在水面平铺自组装得到正六边形堆积的单层胶体阵列。将第一步制备的亲水化玻片伸到水面下，缓缓将漂在水面上的阵列捞起晾干，即得到二维光子晶体膜片。

3)在10mL离心管中加入丙烯酰胺(AM)0.36g(5.04mmol)，丙烯酸(AA)8.5μL(0.56mmol)，N，N-二甲基双丙烯酰胺(BIS)10mg(0.065mmol)，28μL浓度为10％的2，2-二乙氧基苯乙酮(DEAP)的二甲基亚砜(DMSO)溶液(含DEAP 13.6μmol)和2mL水，超声10分钟使其全部溶解。再通入N₂10分钟去除O₂，密封。

4)吸取50μL上述凝胶预聚液滴在载有二维PS光子晶体的玻片上，再在上面盖上另一片相同大小的洁净玻片，使凝胶预聚液布满含有光子晶体的两层玻璃片中间形成液膜。将该玻片-凝胶-玻片结构置于365nm紫外灯光下低温(2℃)聚合1小时。

5)将上述聚合后得到的包埋了二维光子晶体的聚丙烯酰胺-丙烯酸(PAM-AA)凝胶从玻璃片上揭下来，切成0.8cm×0.8cm小块，在去离子水中浸泡洗涤12小时。

6)在250mL烧杯中倒入100mL去离子水，加入25mM的EDC·HCl(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和25mM 3-PBA(3-氨基苯硼酸)，超声全部溶解后将上述凝胶放入其中，0℃条件下反应6小时，得到3-PBA功能化的二维光子晶体凝胶膜。

7)将上述功能化的凝胶膜置于去离子水中，摇床浸洗24小时，待用。

实例2

本发明的葡萄糖检测用二维光子晶体的合成方法，具体步骤如下：

1)取250mL的烧杯，加入30mL H₂O₂溶液和70mL质量分数为98％的H₂SO₄溶液。将60mm×24mm×0.13mm的盖玻片轻放入配制的溶液中，浸泡18小时进行亲水化处理。再将处理后的玻片用去离子水洗涤5次，吹干备用。

2)取直径为580nm的PS微球用去离子水稀释至质量分数为20％，再加入再加入上述溶液体积1/3的正丙醇溶液，超声分散15min。用移液枪量取50μL上述溶液，在直径为1Scm的玻璃缸中装满水，使移液枪头刚刚触及水的表面。将PS溶液通过移液枪头尖端缓缓输送到水表面。PS在水面平铺自组装得到正六边形堆积的单层胶体阵列。将第一步制备的亲水化玻片伸到水面下，缓缓将漂在水面上的阵列捞起晾干，即得到二维光子晶体膜片。

3)在15mL离心管中加入丙烯酰胺(AM)0.36g(5.04mmol)，丙烯酸(AA)8.5μL(0.56mmol)，N，N-二甲基双丙烯酰胺(BIS)10mg(0.065mmol)，28μL浓度为10％的2，2-二乙氧基苯乙酮(DEAP)的二甲基亚砜(DMSO)溶液(含DEAP 13.6μmol)和2mL水，超声15分钟使其全部溶解。再通入N₂15分钟去除O₂，密封。

4)吸取100μL上述凝胶预聚液滴在载有二维PS光子晶体的玻片上，再在上面盖上另一片相同大小的洁净玻片，使凝胶预聚液布满含有光子晶体的两层玻璃片中间形成液膜。将该玻片-凝胶-玻片结构置于365nm紫外灯光下低温(2℃)聚合1.5小时。

5)将上述聚合后得到的包埋了二维光子晶体的聚丙烯酰胺-丙烯酸(PAM-AA)凝胶从玻璃片上揭下来，切成0.5cm×0.5cm小块，在去离子水中浸泡洗涤18小时。

6)在250mL烧杯中倒入100mL去离子水，加入25mM的EDC·HCl(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和25mM 3-PBA(3-氨基苯硼酸)，超声全部溶解后将上述凝胶放入其中，0℃条件下反应4小时，得到3-PBA功能化的二维光子晶体凝胶膜。

7)将上述功能化的凝胶膜置于去离子水中，摇床浸洗18小时，待用。

实例3

本发明的葡萄糖检测用二维光子晶体的合成方法，具体步骤如下：

1)取250mL的烧杯，加入30mL H₂O₂溶液和70mL质量分数为98％的H₂SO₄溶液。将60mm×24mm×0.13mm的盖玻片轻放入配制的溶液中，浸泡30小时进行亲水化处理。再将处理后的玻片用去离子水洗涤4次，吹干备用。

2)取直径为620nm的PS微球用去离子水稀释至质量分数为25％，再加入再加入上述溶液体积1/3的正丙醇溶液，超声分散20min。用移液枪量取15μL上述溶液，在直径为5cm的玻璃缸中装满水，使移液枪头刚刚触及水的表面。将PS溶液通过移液枪头尖端缓缓输送到水表面。PS在水面平铺自组装得到正六边形堆积的单层胶体阵列。将第一步制备的亲水化玻片伸到水面下，缓缓将漂在水面上的阵列捞起晾干，即得到二维光子晶体膜片。

3)在15mL离心管中加入丙烯酰胺(AM)0.36g(5.04mmol)，丙烯酸(AA)8.5μL(0.56mmol)，N，N-二甲基双丙烯酰胺(BIS)10mg(0.065mmol)，28μL浓度为10％的2，2-二乙氧基苯乙酮(DEAP)的二甲基亚砜(DMSO)溶液(含DEAP 13.6μmol)和2mL水，超声30分钟使其全部溶解。再通入N₂30分钟去除O₂，密封。

4)吸取60μL上述凝胶预聚液滴在载有二维PS光子晶体的玻片上，再在上面盖上另一片相同大小的洁净玻片，使凝胶预聚液布满含有光子晶体的两层玻璃片中间形成液膜。将该玻片-凝胶-玻片结构置于365nm紫外灯光下低温(5℃)聚合2小时。

5)将上述聚合后得到的包埋了二维光子晶体的聚丙烯酰胺-丙烯酸(PAM-AA)凝胶从玻璃片上揭下来，切成1.0cm×1.0cm小块，在去离子水中浸泡洗涤24小时。

6)在250mL烧杯中倒入100mL去离子水，加入25mM的EDC·HCl(1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐)和25mM 3-PBA(3-氨基苯硼酸)，超声全部溶解后将上述凝胶放入其中，0℃条件下反应3 小时，得到3-PBA功能化的二维光子晶体凝胶膜。

7)将上述功能化的凝胶膜置于去离子水中，摇床浸洗30小时，待用。

实施例1中合成的葡萄糖检测用二维光子晶体。具体应用如下。

1)在30℃恒温水浴中恒温5个20mL样品瓶，其中全部加入10mL含有150mL NaCl的pH＝9.0的缓冲溶液。将上述合成的凝胶膜分别放入上述溶液中30分钟。再向上述样品瓶中分别加入0.0mg、0.9mg、1.8mg、9.0mg、18mg的葡萄糖，即得到浓度分别为0mM、0.5mM、1mM、5mM、10mM的葡萄糖溶液。使凝胶膜在上述溶液中平衡30分钟后取出，测定膜的德拜环大小。通过公式计算凝胶中的PS粒子间距，得到粒子间距-葡萄糖浓度变化曲线如图1所示。

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Claims (8)

1.一种葡萄糖检测用二维光子晶体的使用方法。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述可用于葡萄糖检测的二维光子晶体包括葡萄糖受体和检测系统。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述受体可与葡萄糖发生特异性的结合。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：所述检测系统在受体与葡萄糖结合时产生可检测的信号，该信号具有葡萄糖浓度依赖性。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述受体为3-氨基苯硼酸(3-PBA)。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述检测系统为二维聚苯乙烯光子晶体。

7.一种葡萄糖检测用二维光子晶体的方法，首先取被测者的血液滴加在所制备的二维光子晶体上，3分钟后用激光笔垂直照射上述光子晶体，测量透过光子晶体的激光所形成的德拜环半径，与标准对照卡对照。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：测量得到的环半径与标准比对卡对照，对应得到的葡萄糖浓度即为被测者的血糖浓度。