用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料和葡萄糖检测方法与流程

本发明涉及葡萄糖检测技术领域，具体涉及一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，以及一种葡萄糖检测方法和装置。

背景技术：

近些年，糖尿病已经日益成为世界范围内影响人类健康的最严重因素之一，这种慢性疾病不仅本身会对患者造成巨大痛苦，其所产生的中风、心血管疾病等并发症同样会给患者造成伤害。为了控制这种疾病带来的危害，实时准确地对糖含量进行监测是十分必要的。然而，现阶段我国临床和家庭常用的血糖检测方法均需采血，不仅给病人造成了疼痛和不便，更有可能造成伤口感染，给病人带来二次伤害。

近年血糖检测的发展方向是制备非侵入式(无痛)、反复使用、连续检测的监测仪器。传统的葡萄糖检测方法都涉及葡萄糖氧化酶，而酶的存在不仅需要严苛的保存环境，同时还会受到尿液中复杂成分的干扰。正因如此，越来越多的科学家将目光投向了非酶法传感技术备。

然而，目前非创伤性葡萄糖非酶法检测方法仍然存在选择性低、灵敏性不足、响应时间长或检测步骤繁琐等问题。

光子晶体的概念于1987年提出，其是一类新兴的光学材料，可以衍射特定波长的光，从而显示出特定的结构色，可用于生化物质的裸眼检测。在光子晶体中，周期性排列的重复结构单元以光波长量级为尺度，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。光子晶体的制造方法主要有精密机械加工法、半导体制造技术、胶体自组装法等。作为一种新型的信息传导材料，光子晶体已成为学术界的一个研究热点。

然而，作为一种新兴起的光学材料，光子晶体的光学性能仍然需要进一步提高以便更好地显示其结构色，提高其应用性。此外，若能将光子晶体用于葡萄糖检测中，并修饰或优化检测体系，则将可实现一种灵敏、便捷的可视化的非创伤性葡萄糖检测方法。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，用以快速、灵敏、高选择性地检测葡萄糖含量信息，尤其可用于便捷地检测人体尿糖的高低。

本发明的另一个目的在于开创一种基于本发明提供的光子晶体凝胶材料的新的葡萄糖检测方法，以及可以用于实现该检测方法的装置。

根据本发明的一个方面，提供了一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，包括聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶和包埋于所述凝胶中的光子晶体，所述凝胶直接或间接地化学接枝苯硼酸，其中，所述光子晶体为二维光子晶体或三维光子晶体。

智能材料是一种新型材料，其中主要包括智能金属材料、智能无机材料和高分子智能材料。高分子凝胶是指三维高分子网络与溶剂组成的体系，网络交联结构使其不溶解而保持一定的形状，且因为凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使之可因溶剂的存在发生溶胀而达到平衡体积。这类高分子凝胶可随环境条件的变化而产生可逆的、非连续性的体积变化。因此，高分子凝胶在感应材料方面具有重要的潜在应用价值。然而，目前高分子凝胶在化合物检测方面普遍存在重复性差、选择性不高等缺陷。

本发明将光子晶体和高分子凝胶结合起来，并在结合体系中以葡萄糖辨识底物苯硼酸功能化，使其能特异性地识别葡萄糖分子，并排除果糖等人体尿液中含有的其他干扰成分，巧妙地利用光子晶体独特的光学性能和高分子凝胶随环境条件的变化而产生可逆的、非连续性的体积变化的特点，以及苯硼酸对凝胶的可修饰化及其对葡萄糖的特异性选择性，实现了一种高选择性的、检测结果可视化的葡萄糖检测材料，奠定了提供可方便快捷地检测尿糖含量的非侵入性葡萄糖检测传感器的基础。

根据本发明，所述聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶是指由丙烯酰胺类单体和丙烯酸单体共聚形成的凝胶体系。所述丙烯酰胺类单体具有丙烯酰胺基本结构，优选为3-8个碳原子的丙烯酰胺单体，更优选3-5个碳原子的丙烯酰胺类单体，例如可以是丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、2-丁烯酰胺等。所述丙烯酸类单体具有丙烯酸基本结构，优选为3-8个碳原子的丙烯酸类单体，更优选3-5个碳原子的丙烯酸类单体，例如可以是丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丁烯酸、3-甲基-2-丁烯酸等。在本发明的一个实施方式中，所述聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶由丙烯酰胺单体和丙烯酸单体聚合而成；该实施方式以最简单的两种单体共聚而成，简化了体系，节约了生产成本。

根据本发明的一些优选实施方式，所述光子晶体由单分散性纳米微球规则排布而成，所述纳米微球的粒径在200-1000nm，优选300-700nm。在前述粒径范围内的单分散性纳米微球通过规则排布可形成具有显著的光学性能，可为葡萄糖检测提供可视化的结果，提高检测灵敏度。

当单分散性纳米微球单层紧密堆积时，形成二维光子晶体。优选地，微球相互错开排列，即相邻两排微球之间相互错开，第二排的微球处于第一排中的两个相邻微球之间形成的空隙中，与这两个相邻微球相切。

当单分散性纳米微球在三维空间上以特定规则紧密堆积形成的光子晶体为三维光子晶体。当光线照射在三维光子晶体阵列上时，由于光子晶体的特殊结构，会折射出布拉格衍射光。如果衍射光波处于可见波长的范围，则人们可以看见明亮的颜色，即“结构色”。光子晶体的结构色不同于传统意义上的颜色，它与电子吸收无关，而是取决于光子晶体的微观结构。在本发明中，采用上述粒径范围的纳米微球制备的光子晶体在自然光下具有明亮的结构色，并且优于二维光子晶体的是，三维阵列在固定角度下观察其结构色较为单一，因而更有利于其应用中的葡萄糖比色检测。因此，在本发明提供的葡萄糖检测方法或制备葡萄糖检测装置中，优选使用三维光子晶体，其具有面心立方结构，并任选地具有四方排列结构。面心立方结构(fcc)结构是理论上的热力学最稳定结构，而本发明制备和使用的三维光子晶体中，在极微小的局部中可以观察到亚稳态的四方阵列结构。这种亚稳态结构视为光子晶体阵列的结构缺陷，并不对整体的结构及检测结果造成影响，且不希望被理论所束缚地，这些亚稳态的四方阵列结构可能有助于增强视觉观察到的显色效果，从而提高检测的可视化程度。

根据本发明，构成光子晶体的纳米微球优选为聚苯乙烯(ps)纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)纳米微球或二氧化硅纳米微球。本发明中，在构造二维光子晶体时，优选使用聚苯乙烯纳米微球，其更易于在液面形成单层排布的二维阵列，从而提高二维光子晶体制备的可操作性，提高二维光子晶体的结构的规则性。本发明中，在制备三维光子晶体时，优选使用聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球；试验发现，在本发明使用制备三维光子晶体中，使用聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球可获得结构更加规则、均一，发光性能更好的三维光子晶体。据推测，这是由于聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球具有更加适合于胶体组装方法的密度，从而产生了更好的自组装效果。

根据本发明，光子晶体本身的厚度一般在250-2000nm，其中三维光子晶体厚度一般在800-1500nm。优选地，基于所述光子晶体形成的光子晶体凝胶材料是厚度100-400μm，优选150-300μm的膜。进一步地，若所述光子晶体为二维光子晶体，则膜的厚度优选在150-250μm；若所述光子晶体为三维光子晶体，则膜的厚度优选在200-300μm。光子晶体具有精细的微观结构，其光学性能由其微观结构产生，光子晶体凝胶膜的厚度太薄，则膜的刚性不足、易被损害，膜太厚，则影响光子晶体力学性能的发挥。上述厚度范围的光子晶体材料既可保证其检测的灵敏性和精确度，有使其自身具备一定强度，避免在制备和应用过程中发生卷曲、破碎等情况。

根据本发明，凝胶上化学接枝苯硼酸基团是指凝胶上直接或间接地接枝了含有苯硼酸基团的基团或片段，以充当检测葡萄糖的探针；其可以通过例如2-氨基苯硼酸、3-氨基苯硼酸或2-丙酰胺基苯硼酸引入。本发明的一个苯硼酸基团功能化的示意性过程如以下反应式所示。

在本发明中，将光子晶体包埋在苯硼酸基团修饰的水凝胶薄膜当中，苯硼酸基团与葡萄糖结合，增加了凝胶的交联度，使凝胶收缩，引起光子晶体晶格间距减小，影响其光学性能，从而实现信号转变。

本发明提供的分子晶体凝胶材料中以苯硼酸基团作为葡萄糖的分子识别基团，其对葡萄糖具有特异性的吸附能力，且受乳糖、乳酸干扰较小，也不易受到尿液中其他复杂成分的干扰。对于传统葡萄糖氧化酶法检测葡萄糖的方法来说，尿液中存在的一些干扰物质如维生素c(vc)，h2o2等会严重影响检测结果，这使得葡萄糖氧化酶法的准确性受到巨大影响。本发明在含有不同浓度葡萄糖的人工尿液中分别加入vc、h2o2，将其检测结果与对照组进行对照，结果发现，待测的人工尿液中含有vc，h2o2并不会对检测结果造成影响。这是由于光子晶体凝胶检测葡萄糖的原理为凝胶上的硼酸基团与葡萄糖上的临位二羟基相连形成环状结构，引起凝胶收缩，进而改变光子晶体的光学性能；而vc，h2o2等物质没有临位二羟基，无法与硼酸发生特异性的结合，故而对检测结果不发生明显影响。由此可见，本发明提供的葡萄糖检测材料具有高度特异性，显著地减少了葡萄糖检测结果的误差。

在本发明的一些优选实施方式中，本发明所述光子晶体凝胶材料通过将粒径为300-800nm的单分散性纳米微球构成形成具有面心立方结构的三维光子晶体浸于丙烯酰胺类单体和丙烯酸类单体的摩尔比在9-11:1，且包含0.3-2.5重量％交联剂的凝胶预聚液中，引发聚合反应后，利用苯硼酸基化合物功能化聚合得到的光子晶体凝胶来制得。优选地，利用苯硼酸基化合物和功能化用交联剂各自浓度为20-30mmol/l的溶液功能化聚合得到的光子晶体凝胶。在该体系下制备得到的功能化光子晶体凝胶材料不仅具备较为稳固的骨架结构，且与此同时具备较为显著的体积变化性能，体积形变可逆，同时，又能使该材料中光子晶体的光学性能在凝胶体积可逆性形变的带动下显示明显的光学变化性能，从而提高葡萄糖检测的可靠性、可重复性和直观性。

根据本发明的一些优选实施方式，所述光子晶体凝胶材料(指未吸附葡萄糖分子的初始状态)的图像在hsb颜色模式(后文将详细解释)下的h值(色相值)在0-30，且随着光子晶体凝胶材料吸附葡萄糖的量增大，h值变大。例如，在一个具体实施例中，初始状态的光子晶体凝胶材料和h值为10，随着吸附葡萄糖的量增加，h值逐渐偏移至180，甚至可能接近360。根据本发明提供的光子晶体凝胶材料尤其是在浓度为0-50mmol/l，特别是0-20mmol/l的葡萄糖溶液中检测葡萄糖浓度时，光子晶体的衍射峰会随着葡萄糖吸附时间增加而红移，所展现出来的肉眼观察到的颜色也在发生变化。

根据本发明的第二个方面，提供了上述光子晶体凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：

1)制备光子晶体

配制单分散性纳米微球溶液，将单分散性纳米微球溶液滴加至水面，以在水面形成六边形堆积排列的单层纳米微球阵列，将基片伸入水面下并将水面上的纳米微球捞起，晾干，得到二维光子晶体；或者

配制单分散性纳米微球溶液，将基片垂直伸入单分散性纳米微球溶液中，恒温恒湿条件下蒸发液体，得到自组装于所述基片上的三维光子晶体；

2)配制凝胶预聚液

将丙烯酰胺类单体和丙烯酸类单体加入去离子水中，添加交联剂、引发剂和极性溶剂，混合均匀，通入氮气；

3)制备光子晶体凝胶

将步骤2)中配制的凝胶预聚液滴入步骤1)制备的光子晶体中，使凝胶预聚液渗透进入光子晶体结构中，利用紫外光引发聚合反应，得到光子晶体凝胶膜；

4)苯硼酸基团功能化光子晶体凝胶

配制包含苯硼酸基化合物和交联剂的功能化用溶液，将步骤3)制备的光子晶体凝胶膜浸入苯硼酸溶液中反应，得到苯硼酸基团功能化的光子晶体凝胶材料。

在上述步骤1)中，在制备二维光子晶体时，优选在伸入所述基片之前在水面边缘滴加十二烷基硫酸钠溶液(sds溶液，浓度例如可以配制成0.1-0.2mol/l)，滴加量为半滴或数滴，可视具体情况而定。sds溶液的滴加可以使单层排布的纳米微球更加紧密。优选地，所述单分散性纳米微球溶液以1:0.8-1.2的去离子水和醇为溶剂，纳米微球的浓度为6-15重量％，优选8-12重量％。所述醇可以是乙醇、丙醇或丁醇，优选为正丙醇；醇的加入可以使纳米粒子保持良好的分散性。制备二维光子晶体的该方法可称为尖端导流法。

在上述步骤1)中，在制备三维光子晶体时，优选所述单分散性纳米微球溶液中纳米微球的浓度为2-4mg/ml。优选地，在25-40℃的温度和rh40-60％的湿度下例如在30℃和rh50％下蒸发液体。恒温恒湿的条件对于液体蒸发很重要，恒温恒湿条件下，液体得以恒速地蒸发，从而使纳米微球在基片上有序、紧密地排布，构造完整、均一的光子晶体微观结构，增强光子晶体的光学特性。制备三维光子晶体的该方法实质为一种胶体自组装法，微球通过表面张力慢慢自组装于基片(基底膜片)上，最终自组装为具有面心立方体结构的三维光子晶体。

凝胶是构成本发明的光子晶体凝胶材料的重要组成部分，其性能影响葡萄糖检测的灵敏度和准确度。在上述步骤2)中，优选丙烯酰胺类单体和丙烯酸类单体的摩尔比在9-11:1，更优选9.5-10.5:1。优选地，极性溶剂与水的体积比为1：70-90，更优选1:75-85；所述极性溶剂优选为二甲基亚砜(dmso)。此外，在本发明的一些优选实施方式中，优选交联剂的添加量为所述凝胶预聚液的0.3-2.5重量％，更优选0.5-2重量％。试验中发现，交联剂的添加量会对检测灵敏度产生影响，当减小交联剂浓度的时候，凝胶的体积改变的灵敏度会相应增加，但是，交联剂用量过低时，凝胶的三维网状结构骨架的形成则受到影响，或在使用中凝胶易破碎为小碎片。当使用上述用量范围的交联剂时，凝胶能够保持较好的易于操作的机械强度。根据本发明，凝胶预聚液中使用的交联剂优选为n,n'-亚甲基双丙烯酰胺。此外，所述引发剂可以选择2,2-乙氧基苯乙酮。

在上述步骤3)中，优选在0-5℃下聚合反应，紫外光波长例如为365nm。凝胶预聚液的滴入量可以通过预先计算来确定，或者目测刚好填满光子晶体为宜。具体地，可在承载光子晶体的基片两侧设计预定高度的壁垒，在上面再覆盖一片基片，然后将配置好的凝胶预聚液小心滴在两层基片之间，使其利用虹吸作用充满基片间的全部空隙，这是实验过程中的技巧性操作。

在上述步骤4)中，优选苯硼酸基化合物的溶液包含20-30mmol/l的苯硼酸基化合物和20-30mmol/l的功能化用交联剂；优选所述反应的温度在-2℃-6℃，例如-1℃至4℃的范围；优选所述交联剂为1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐。

通过本发明提供的上述制备光子晶体凝胶材料的方法，可得到具有良好的光学性能和体积随环境可逆变化的光子晶体凝胶材料，可用于灵敏地、准确地、可视化地检测葡萄糖。

根据本发明的又一个方面，提供了一种葡萄糖的检测方法，包括以下步骤：

s1、将根据本发明提供的上述光子晶体凝胶材料置于待测葡萄糖溶液中，待所述光子晶体的显色稳定后，取出；

s2、获取显色稳定后的光子晶体凝胶膜的图像；

s3、对步骤s2中获取的图像进行解析，获取图像的颜色信息；

s4、根据步骤s3获取的颜色信息，得到待测葡萄糖溶液的葡萄糖含量信息。

如前文所述，本发明提供的光子晶体凝胶材料对葡萄糖具有特异性吸附性能，且随着对葡萄糖的吸附量增加，凝胶体积发生改变，由此改变光子晶体的光学性能，直观上转化为颜色的改变。也就是说，光子晶体凝胶材料颜色的变化反映了葡萄糖吸附量的变化。通过此原理，本发明提供的光子晶体凝胶材料可用于检测葡萄糖溶液、例如人工尿液或人体尿液中的葡萄糖含量。

步骤s1中所述光子晶体凝胶材料优选为膜片，厚度优选为前文所述的厚度范围内。

在检测过程中，当光子晶体凝胶材料的颜色改变并趋于稳定后，可通过照相机等图像采集工具获取光子晶体凝胶的衍射。为了减少误差，每次摄取图像的环境和条件应该相同。在本发明的一些优选实施方式中，在步骤s2中，从与光子晶体成30-60度的角度拍摄光子晶体凝胶膜的图像。选择该角度拍摄图像，不仅便于操作，而且可获得色彩表现得更加鲜明的图像，从而有利于提高检测的精确度。

在本发明的一些实施方式中，在步骤s3和s4中，可将吸附葡萄糖后的光子晶体凝胶材料显示的颜色与标准比色卡进行比对，从而推断葡萄糖的浓度或浓度范围。该方法类似于使用ph试纸的测量溶液ph值的方法。标准比色卡可通过使用光子晶体凝胶材料测量一系列已知浓度的标准葡萄糖溶液的颜色变化，将颜色和溶液浓度建立对应关系，形成标准比色卡。

在本发明的另外一些实施方式中，发明人独到地引入颜色模式对所获取的图像进行分析，以期更加方便地获知葡萄糖溶液的浓度，尤其是实现葡萄糖浓度的定量分析，进而利用本发明的检测方法定量检测尿液中的葡萄糖浓度，为糖尿病人提供明确的尿糖浓度信息。

颜色模式，是将某种颜色表现为数字形式的模型，或者说是一种记录图像颜色的方式，分为：rgb模式、cmyk模式、hsb模式、lab颜色模式等多种子模式。最常应用的色彩模式是rgb色彩模式和cmyk色彩模式。其中rgb色彩模式是工业上的一种颜色标准，通过对红(r)、绿(g)、蓝(b)三种颜色的变化及它们之间互相的叠加即可得到几乎包括了人类视力所能感知的全部颜色。cmyk模式也叫作印刷四色模式，其利用色料的三原色相加之黑色油墨一共四色相互叠加，形成所谓“全彩印刷”。对于其他的分析模式来说，通常都要在显示或输出时候转化为以上两种模式。

在本发明中，可以将获取的分子晶体凝胶膜的图像在rgb或cmyk模式下进行解析，获得这两种模式下的图像色彩信息，例如对于rgb模式，获取r、g或b值，并建立图像色彩信息与葡萄糖浓度之间的关联性。根据所建立的关联性，将获取的待测葡萄糖溶液对应的分子晶体凝胶膜的图像输入，可获得待测葡萄糖溶液浓度。

然而，rgb和cmyk的概念较为抽象，不符合人们对颜色的直观理解。hsb模式对应的媒介是人眼，其中h(hues)代表色相，s(saturation)代表饱和度，b(brightness)代表亮度。h值即对应我们平常理解的“颜色”的概念，采用了角度度量，如图1，即在0°-360°的色彩圆盘上分为360个不同的数值，从红色开始按逆时针方向计算，每一数值对应一种颜色。饱和度s表示色彩的纯度，通常取值范围为0％-100％。由于一种颜色可以看成是某种光谱色与白色混合的结果，其中光谱色所占的比例愈大，颜色的饱和度也就愈大，其所产生的颜色则更加浓艳。亮度b代表色彩的明亮度。对于光源色来说，亮度值与发光体的光亮度有关；对于物体色，此值和物体的透射比或反射比有关。亮度范围在0％(黑)到100％(白)之间。

基于上述理论，发明人首次提出将hsb颜色模式分析法应用在葡萄糖的检测分析方法中。更进一步地，为了提高检测结果的准确性以获得更真实的检测值，发明人对hsb颜色模式分析法对葡萄糖检测的适用性做了研究。考虑到在现实生活中，由于光线的变化有时会使我们对于颜色的判断发生误差，而在记录和分析光子晶体颜色时，通常难以在非实验室的条件下保证每次记录颜色时光线明暗情况相同，因此为了检测环境明暗状况是否会对颜色的分析结果造成影响，发明人以相同的拍摄角度在不同的光线下对光子晶体的结构色用相机进行记录，并分析不同光线条件对图像的h、s和b值的影响。结果发现，不同光线下拍摄的图片的s和b值有较大变化，而h值则随光线的变化不明显，可以作为图像分析的一个重要指标参数。

h值在0°-360°的色彩圆盘上分为360个不同的数值，从红色开始按逆时针方向计算，每一数值对应一种颜色。例如，从红色开始按逆时针方向计算，例如红色为0°，绿色为120°，蓝色为240°；这些主色调的补色分别为黄色为60°，青色为180°，品红为300°。基于这个原理，我们可以将每一颜色量化为具体数值，用以定量检测葡萄糖的浓度。

因此，根据本发明的一些优选实施方式，在步骤s3中，获取图像的hsb颜色模式下的h值，然后在步骤s4中，根据步骤s3获取的h值计算待测葡萄糖溶液中的葡萄糖浓度。

根据本发明的优选实施方式，所述检测方法还包括检测多个标准葡萄糖溶液的h值，并根据多组标准葡萄糖溶液的浓度c和获得的h值拟合h值和浓度c之间的关系模型。

为了建立浓度c和h值之间的关联性，可配制一系列浓度的葡萄糖溶液，采用光子晶体凝胶膜测定，获取不同浓度的葡萄糖溶液下显示的图像，解析图像获得相应的h值，通过多组浓度c和h值拟合这两个参数之间的关系。

在本发明中，经过对一系列浓度(0-10mmol/l)的葡萄糖溶液的检测结果拟合得到，浓度c和h值倾向于具有如下关联性：h＝a*12.01e^0.28c，r2＝0.98；其中，a为校准系数，取值0.9-1.1，视具体的测试条件而定。例如，在极酸或极碱，或者高温或低温条件下，可通过系数a适当校准测量值。一般的测试条件下，a取值为1。利用光子晶体凝胶膜测试待测葡萄糖溶液，获取相应的图像，分析得到其h值，然后根据h值和浓度之间的上述关联性，可计算得到待测葡萄糖溶液的浓度值，实现待测溶液的简便的定量分析。

在本发明的葡萄糖检测方法中，步骤s3可采用已知的图像解析方法，通过已知的算法获取所需的颜色信息，并可基于此建立模型，以便于形成系统的分析检测方法。

另外，还可以通过coreldraw、3dsmax、photoshop等现有软件分析图像的颜色信息，获取例如rgb模式、cmyk模式或hsb模式下的色彩参数。

rgb来表示颜色比较方便，但是两个相近的颜色的rgb值却可能相差十万八千里。hsb对应的媒介是眼睛的感受细胞，是基于人眼的一种颜色模式，因此用hsb来表示颜色就比较符合人们的习惯，且如上所述，经过本发明人分析，图像的h值对摄像光线较不敏感，因此特别适合用在本发明的检测分析方法中。

此外，rgb模式参数与hsb模式参数之间的转换算法已知，故可任选地获取rgb模式或hsb模式的参数，然后根据需要进行转化，进而分析葡萄糖溶液的浓度。

根据本发明的葡萄糖检测方法，优选在碱性条件下进行检测，更优选的是，待测葡糖糖溶液的ph值在7-9.2范围，更优选在8.5-9.2范围。本发明检测用的光子晶体凝胶膜以苯硼酸基团作为葡萄糖的识别基团。苯硼酸是路易斯酸，其pka约为8.8，因此在碱性条件下，苯硼酸更易于与溶液中oh^-相结合形成稳定的亲水四面体结构，而酸性条件下，苯硼酸则形成不带电的平面三角形，不易与顺式邻位二醇发生反应。因此，苯硼酸对葡萄糖的响应在一定条件下随着ph的降低而降低，由此本发明优选在弱碱性溶液的条件下利用接枝苯硼酸基团的光子晶体凝胶膜检测葡萄糖。此时，四面体形态的苯硼酸可以轻易的与糖上的顺式二醇发生反应，形成张力较小的稳定的带电络合物。凝胶体积的随着吸附葡萄糖而变化，此体积变化便转化为了光子晶体的光学信号，从而奠定了葡萄糖光子晶体凝胶传感器的理论基础。

在本发明的一些实施方式中，所述待测葡萄糖溶液为人工尿液或人体尿液，优选为碱化的人体尿液，更优选为稀释的碱化人体尿液，其ph值例如在8.0-9.2范围。根据本发明提供的葡萄糖检测方法可用于检测人体尿液的葡萄糖浓度，尤其对稀释并碱化的人体尿液的检测具有更高的准确度。对待测葡萄糖溶液样本的碱化可通过添加适量碱液、例如氢氧化钠溶液来实现。

相比于二维光子晶体，三维光子晶体自身具有更为单一、明亮的结构色，且对其结构色的观察受到环境和观察条件的影响较低，故在本发明提供的葡萄糖检测方法中，优选使用三维光子晶体凝胶膜。

根据本发明的再一个方面，还提供了一种用于检测葡萄糖的装置，包括：

图像摄取模块，用于摄取光子晶体凝胶材料置于待测葡萄糖溶液中显色稳定后的图像；

图像解析模块，用于解析所摄取的图像的颜色信息，hsb颜色模式的h值；

葡萄糖含量分析模块，用于根据所述颜色信息获取待测葡萄糖溶液的葡萄糖含量信息。

本发明提供的上述装置可用于实现根据本发明提供的如上所述的葡萄糖的检测方法。

在本发明的一些优选实施方式中，所述图像解析模块用于解析图像并获取hsb颜色模式的h值。在本发明的一些优选实施方式中，所述葡萄糖含量分析模块用于根据hsb颜色模式的h值计算得到待测葡萄糖溶液的葡萄糖浓度。

在本发明的一些优选实施方式中，所述装置还可以包括葡萄糖检测材料，所述葡萄糖检测材料为如前文所述的光子晶体凝胶膜。

本发明提供的所述装置的设置原理和运行方式可参考前文，在此不再赘述。

本发明将光子晶体、高分子凝胶和葡萄糖识别基团结合为一体，提供了一种高性能检测材料，可高选择性、灵敏、便捷以及可视化地检测葡萄糖浓度信息。并且，本发明通过优化光子晶体凝胶材料的制备原料配方和制备方法，提高了光子晶体凝胶材料的物理性能和检测性能。

本发明提供的葡萄糖检测方法，基于上述光子晶体凝胶材料，独创性地借助颜色模式尤其是hsb模式对吸附葡萄糖后颜色变化的光子晶体凝胶材料图像进行颜色分析，充分利用了光学分析于检测中，不仅能简单明了且直接地对葡萄糖含量进行定性分析；并且还通过关联性将颜色信息直接转换成葡萄糖浓度信息，实现了快捷、直观的葡萄糖、尤其是尿糖的定量检测方法，开创了非创伤性葡萄糖检测和分析的新方法，为糖尿病患者的临床尿糖检测或日常尿糖监控提供了新途径。

此外，本发明还将结合颜色分析方法的葡萄糖检测方法系统化，提供了一种可将光子晶体凝胶材料检测葡萄糖后显示的图像直接转换成葡萄糖浓度信息的装置，为形成准确、方便快捷地检测尿糖的葡萄糖检测传感器提供了新的可能。

附图说明

图1是hsb颜色模式分析图。

图2是(a)pmma三维光子晶体的实物图和(b)其表面、(c)截面电镜图。图2a显示了明亮的淡粉色。

图3显示了三维光子晶体凝胶结构色根据葡萄糖浓度的变化。其中，0mmol/l、1mmol/l、5mmol/l、10mmol/l葡萄糖溶液分别对应的光子晶体凝胶图像颜色大致为紫红、橘红、黄、青。

图4显示了三维光子晶体凝胶膜测定的葡萄糖浓度c和相应h值的关系图。

图5显示了(a)单分散ps微球，(b)ps二维光子晶体阵列表面和(c)其截面图，(d)二维光子晶体凝胶表面的sem图。

图6显示了(a)光子晶体凝胶膜对10mmol/l葡萄糖的响应的动力学曲线；(b)光子晶体凝胶膜的重复利用性。

图7显示了人工尿液中干扰物vc和h2o2对光子晶体凝胶膜响应葡萄糖的非干扰性。

图8显示了光子晶体凝胶膜中粒子间距对人工尿液中葡萄糖浓度的响应(内插图为其结构色随葡萄糖浓度变化而改变)。图中，随着葡萄糖浓度从0mmol/l增加至10mmol/l时，光子晶体凝胶膜显示的结构色也大致从红色变为橙色，再变为绿色，最后变为靛色。

具体实施方式

下面将结合具体实施例对本发明做进一步的说明，但是应该理解，以下具体实施例仅仅是本发明的示例性实施例，不应该被理解为是对本发明构成限制。

实施例1

1)三维光子晶体的制备

在甲基丙烯酸甲酯中加入大量活性炭做预处理，用以除去其中阻聚剂以便进行反应。取6ml的甲基丙烯酸甲酯和144mlh2o，加入250ml四口烧瓶中，机械搅拌，转速300rpm，然后在通入n2的环境下将反应溶液升温至80℃，迅速加入0.3g过硫酸钾引发剂引发反应聚合。在冷凝回流的条件下维持反应温度恒定，反应45min，即可得到白色的聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)微球乳液。将该乳液用去离子水反复离心水洗4次，得到粒径为约180nm的pmma微球，备用。

将浓硫酸与双氧水配制为体积比7:3的洗液，将24×50mm的盖玻片浸入洗液中24h，用以去除玻片表面污渍，并增强玻片的亲水性。使用前只需将玻片从洗液中小心取出，用去离子水洗净吹干即可。

取上述制备的pmma微球配制为3mg/ml的水溶液并倒入玻璃缸中。将预处理后的洁净的盖玻片垂直立于玻璃缸内，放入30℃和rh50％的生物培养箱中。在该条件下，生物培养箱中的溶剂保持匀速蒸发，而pmma小球通过表面张力慢慢自组装于玻片上，最终自组装为具有面心立方体结构的三维光子晶体。

以同样的方法，改变甲基丙烯酸甲酯的使用量，例如分别使用9ml和15ml甲基丙烯酸甲酯，可以获得粒径分别为230nm和260nm的pmma小球。

pmma三维光子晶体的实物图和表面、截面电镜图分别见图2a、2b和2c。由图2可见，本发明制备的三维光子晶体具有肉眼可观察的明亮的颜色，其中，构成三维光子晶体的纳米微球具有均一的大小，在三维方向上紧密而有规则地排布。

2)苯硼酸基团功能化的光子晶体凝胶的制备

首先在5ml离心管中加入0.36g的丙烯酰胺(5.04mmol)、5mgn,n'-亚甲基双丙烯酰胺(bis)、38.5μl的丙烯酸(0.56mmol)、2.8μl的2,2-乙氧基苯乙酮、25.2μl的dmso和2ml去离子水。将得到的溶液超声处理，使其充分混合后，再通入10min的n2用以除去氧气，得到凝胶预聚液。

将上述步骤1)制备的三维光子晶体两侧小心贴上125μm的胶带，并在其上盖上一洁净载玻片。

用移液枪吸取200μl凝胶预聚液滴加在上述含有三维光子晶体的玻璃片上，使预聚液均匀的铺满在两层玻璃片间并不留气泡。由于其中一玻璃片的两侧边缘事先贴上了固定厚度的胶带，这样两层玻璃片之间就形成了固定厚度的空间。

将上述玻片-凝胶-玻片的“三明治”结构平行放入365nm的紫外交联仪中低温聚合(2℃)1h，预聚液聚合得到固定厚度的聚丙烯酰胺-丙烯酸(pam-aa)凝胶。

将上述凝胶从玻璃片上揭下，此时玻片上的三维光子晶体阵列也镶嵌于凝胶中。将上述凝胶裁为1×1cm小块，并放入去离子水中反复浸洗24h，待用。

用去离子水配制50ml含有3-氨基苯硼酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)各25mmol/l的水溶液。将上述洗涤后的1×1cm凝胶放入该溶液中，冰浴条件下反应7h，得到了苯硼酸功能化的光子晶体凝胶膜。将该功能化膜放入去离子水中反复水洗24h，待用。

3)光子晶体凝胶对人工尿液的葡萄糖浓度的测定

由于人体实际尿液中的成分十分复杂，为了模拟所制备的光子晶体凝胶检验复杂尿液中葡萄糖的能力，我们配制了人工尿液(主要成分见表1)。为了提高检测效果，用0.1mm的naoh溶液调节人工尿液ph至9。

表1.人工尿液的成分

利用人工尿液配制不同浓度的葡萄糖溶液(0mmol/l、1mmol/l、3mmol/l、5mmol/l、8mmol/l和10mmol/l)，再将改性后的凝胶浸入不同浓度的人工尿液中，经过15min的吸附过程后再取出，以相同的拍摄环境和拍摄条件(使光源从左上方30°处照射，用照相机从正前方上方45°拍摄)拍摄各光子晶体凝胶膜。图3显示了三维光子晶体结构色随葡萄糖浓度变化而变化。

在葡萄糖浓度为0mmol/l时，光子晶体凝胶的结构色为紫红色。随着葡萄糖浓度增加到1、5、10mmol/l时，光子晶体凝胶的结构色也相应的改变为橘红、黄、青。注：对图像显示的颜色的描述仅为近似描述，非严格按照颜色命名法命名图像所显示的颜色。

之后，借助photoshop软件上的hsb颜色分析对结果进行取色分析。0mmol/l、1mmol/l、3mmol/l、5mmol/l、8mmol/l和10mmol/l葡萄糖溶液对应的图像的h值分别为10、15、35、59、110、180。

以葡萄糖浓度c作为横坐标，以h值作为纵坐标作图，并将c和h拟合为h＝12.01e^0.28c，r2＝0.98，如图4所示。

4)光子晶体凝胶对人体尿液的测定

从西安某一医院随机选择了一位糖尿病患者的尿液，用人工尿液稀释十倍，再将步骤2)制备的光子晶体凝胶膜浸入其中吸附15min，取出，拍摄照片，分析其h值为90，通过步骤3)中的关系式计算得到相应的浓度c为7.2mmol/l，与通过一个大型且昂贵的生化自动监测仪检测测量该尿样得出的7.0mmol/l接近，说明本发明方法通过简单的过程、设备测定葡萄糖浓度具有较高的准确性。

实施例2

1)二维光子晶体的制备

使用碱性氧化铝过滤足量的苯乙烯用以除去其中的阻聚剂，再将入25ml的预处理后的苯乙烯溶液、1g甲基丙烯酸羟乙酯(hema)溶液和100ml去离子水加入到装有机械搅拌棒、温度计和冷凝管的250ml四口烧瓶中，调节机械搅拌速度为350rpm，再将n2通入烧瓶中的混合液用以除去其中的氧气。通入氮气1h后，将上述溶液温度升高至70℃，并且加入3ml的过硫酸钾(0.2mmol)溶液作为引发剂引发反应。该反应在保持温度、n2氛围和搅拌速度不变的情况下持续24h。反应结束后，得到白色的ps微球乳液。用去离子水将得到的微球反复离心水洗再分散，重复5次后，得到洁净的ps微球乳液，粒径为约310nm，备用。

以同样的方法，改变苯乙烯的使用量，例如分别使用30ml和37.5ml苯乙烯，可以获得粒径分别为480nm和620nm的ps小球。

将得到的ps微球乳液用去离子水配制为20wt％的溶液，再将该溶液与正丙醇以体积比1:1混合均匀。准备一个直径15cm的玻璃缸，在其中装满去离子水。将上述含有ps微球的醇-水溶液超声振荡后，使之通过1ml注射器的针头将混合溶液缓缓注入到玻璃缸中的去离子水水面上。注意此时针头尖端需恰好接触水面。随着注入过程的进行，可以看到此先白色的ps乳液在水面上逐渐形成了明亮的彩色光子晶体阵列，直至铺满液面。再在水面边缘滴入半滴sds溶液，使光子晶体排列更加紧密，形成正六边形密堆积排列的单层胶体晶体阵列。最后，用洁净的盖玻片伸到表面覆盖二维光子晶体的水面正下方，缓缓将水面上的光子晶体捞起并静置。自然晾干后便在玻璃片上得到了易于操作的二维光子晶体。最后在玻璃片的两边边缘处贴上宽度为2mm的125μm厚的胶带，待用。

2)光子晶体凝胶的制备

首先在5ml离心管中加入5mmol的丙烯酰胺、5mgn,n'-亚甲基双丙烯酰胺、0.5mmol的丙烯酸、2.8μl的2,2-乙氧基苯乙酮、25μl的dmso和2ml去离子水。将得到的溶液超声处理，使其充分混合后，再通入10min的n2用以除去氧气，得到凝胶预聚液。

用移液枪吸取200μl凝胶预聚液滴加在上述含有二维光子晶体的玻璃片上，使预聚液均匀的铺满在两层玻璃片间并不留气泡。由于其中一玻璃片的两侧边缘事先贴上了固定厚度的胶带，这样两层玻璃片之间就形成了固定厚度的空间。

将上述玻片-凝胶-玻片的“三明治”结构平行放入365nm的紫外交联仪中低温聚合(2℃)1h，预聚液聚合得到固定厚度的聚丙烯酰胺-丙烯酸(pam-aa)凝胶。

将上述凝胶从玻璃片上揭下，此时玻片上的二维光子晶体阵列也镶嵌于凝胶中。将上述凝胶裁为1×1cm小块，并放入去离子水中反复浸洗24h，待用。

用去离子水配制50ml含有3-氨基苯硼酸和1-(3-二甲氨基丙基)-3-乙基碳二亚胺盐酸盐(edc)各25mmol/l的水溶液。将上述洗涤后的1×1cm凝胶放入该溶液中，冰浴条件下反应7h，得到了苯硼酸功能化的光子晶体凝胶膜。将该功能化膜放入去离子水中反复水洗24h，待用。

单分散ps微球，ps二维光子晶体阵列表面和其截面图，二维光子晶体凝胶表面的sem图分别见图5(a)、5(b)、5(c)和5(d)。

3)光子晶体凝胶的检测时间测定

利用上述人工尿液配制10mmol/l浓度的葡萄糖溶液，将制备好的二维光子晶体凝胶浸入该溶液中，不断检测其德拜环大小，并计算其粒子间距，绘制检测光子晶体凝胶对葡萄糖响应的动力学曲线，如图6a所示。由图6a可知，光子晶体凝胶膜能在230s内达到响应平衡，平衡时间较短。

二维光子晶体可以由德拜衍射产生德拜环。光子晶体凝胶浸入葡萄糖溶液中，随着葡萄糖浓度的改变，光子晶体的粒子间距也会发生改变。由此，可以用激光垂直照射吸附葡萄糖后的光子晶体，根据其产生的德拜环大小或颜色的改变的变化从而判断吸附葡萄糖的浓度。

可以根据德拜环半径和一系列数据计算得到组成二维光子阵列的粒子之间的间距。公式为：

其中，α是衍射角，λ为单色光波长(本实验为455nm)，d为粒子间距。

可以利用上述公式，通过测量德拜环直径d得到二维光子晶体的粒子间距。

4)光子晶体凝胶的可重复性测定

将光子晶体凝胶膜反复浸入0mm和10mm的人工尿液中，并分别记录每次取出时的德拜环大小及粒子间距。图6b展示了光子晶体凝胶膜吸附的重复性。从图6b中我们可以看到，光子晶体凝胶膜经过5次的重复检测仍然保持着良好的响应能力。

5)光子晶体凝胶的抗感染性性测定

在含有不同浓度葡萄糖的人工尿液中分别加入vc、h2o2，将其检测结果与对照组进行对照。图7中的结果显示，对于二维光子晶体凝胶来说，待测的人工尿液中含有vc，h2o2并不会对检测结果造成影响。这是由于前文提到的，二维光子晶体凝胶检测葡萄糖的原理为凝胶上的硼酸基团与葡萄糖上的临位二羟基相连形成环状结构，引起凝胶收缩。而vc，h2o2等物质没有临位二羟基，无法与硼酸发生特异性的结合，故而对检测结果不发生明显影响。

6)光子晶体凝胶检测人工尿液

将步骤2)制备的改性光子晶体凝胶膜浸入不同浓度的人工尿液中，经过15min的吸附过程后取出，测其德拜环，再通过公式计算其粒子间距的改变。检测结果如图8所示。

从图中我们可以看到，当葡萄糖浓度从0mm增加至10mm时，光子晶体凝胶膜的粒子间距从917nm减小至824nm。同时，光子晶体凝胶膜的结构色也从红色变为橙色，再变为绿色，最后变为靛色(这些颜色的表述仅为图像显示的大致颜色，未必是精确的颜色分析术语)。

利用这些图像，可以通过hsb颜色分析法进行解析，获得h值，然后与葡萄糖浓度建立关联性，为葡萄糖的检测提供标准对照基础。该实施例中光子晶体凝胶膜测定葡萄糖溶液所显示的规律与实施例1的光子晶体凝胶大体相同。

因此，利用本发明提供的光子晶体凝胶材料可以实现尿液中葡萄糖含量的裸眼检测，还可进一步地实现对尿糖含量的快速便捷地定量分析。

以上实施例表明了利用根据本发明提供的苯硼酸基团功能化光子晶体凝胶材料检测尿液葡萄糖浓度具有反应灵敏、选择性高、可重复利用等优点；在检测方法中引入颜色模式分析法，可简化检测系统，并可基于此实现光学信息自动转化成浓度信息，从而方便快捷地对尿糖含量定性或定量分析。因此，本发明提供的基于光子晶体凝胶材料的葡萄糖检测新方法的使用设备微型化、非侵入和裸眼检测的特性为糖尿病的实时、快速检测提供了可能性。

虽然本发明已作了详细描述，但对本领域技术人员来说，在本发明精神和范围内的修改将是显而易见的。此外，应当理解的是，本发明记载的各方面、不同具体实施方式的各部分、和列举的各种特征可被组合或全部或部分互换。在上述的各个具体实施方式中，那些参考另一个具体实施方式的实施方式可适当地与其它实施方式组合，这是将由本领域技术人员所能理解的。此外，本领域技术人员将会理解，前面的描述仅是示例的方式，并不旨在限制本发明。