光致变色动态多底物检测微芯片与多态分析方法
【专利摘要】本发明属于光致变色材料与多底物分析领域，通过引入光致变色分子至传感器阵列，制备出高效通用多底物检测分析微芯片。本发明利用光致变色分子螺吡喃/螺恶嗪，综合分析其在不同光刺激条件下(避光，紫外光照，可见光照)对各种金属阳离子的响应光学差异，设计由螺吡喃或螺恶嗪单一化合物组成的阵列芯片。通过多个通道记录荧光与吸收化学信息，用主成分分析(PCA)、多级分组分析(HCA)与线性差别分析(LDA)等高通量统计学方法，对尽量多的不同种类金属阳离子进行差别分析与识别。本发明通过构建光致变色动态多底物检测微阵列实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，产品对各种复杂环境的多底物识别与检测具有广谱的通用性与很强的可操作性。
【专利说明】光致变色动态多底物检测微芯片与多态分析方法
【技术领域】
[0001]本发明属于微纳米材料与光化学分析领域，特别涉及一种利用光致变色智能响应性材料制备高效通用多底物检测分析微芯片。
【背景技术】
[0002]多底物、复杂环境检测与分析对工业、食品监测与生物活体分析具有十分现实的研宄意义与应用前景。尽管人类对很多单一底物的检测灵敏度与特异识别已经有了巨大进步，然而单个化学传感器化合物的响应性能通常比较单一，无法实现对多种检测底物的识别与分析。基于组合化学设计与化合物阵列芯片技术，Anslyn等科学家们开发出利用多种传感器化合物组成传感器阵列，通过分析系列不同化合物对检测物的差别性的响应，实现多底物的辨别与检测。然而这一方法需要大量、成系列的有机化合物作为传感器，针对不同的检测底物类型构建传感器阵列；而且整个过程涉及到有经验地组合化学设计、多步合成、化合物有效响应性筛选、传感器芯片设计与加工等复杂又繁琐的工序，在很大程度上限制了高效率检测芯片的开发与快速制备，使得多底物高效率检测芯片仍然停留在实验室与研宄阶段。开发一种通用高效的检测芯片的制备与分析方法，利用尽量单一、普通易得的传感器化合物实现多底物的快速分析与检测，具有十分现实的应用价值与广阔的科学意义。
[0003]光、电、热致变色等响应性开关材料因其在仿生智能与信息技术方面的广阔应用前景，多年来一直是材料科学研宄的热点领域。近几年随着高级人工智能的发展要求，智能材料的开发与应用也从单一响应性体系逐渐向双重响应、多重响应性体系发展，其应用也趋向于多任务、复杂环境的适用性与高效率。其中螺恶嗪和螺吡喃分子因其具有对不同外界刺激，如光，质子，金属离子等，从而经历结构可逆的花菁部开环和闭环反应，并同时伴随着光物理性质的显著改变，已经在逻辑门，交互网络，分子开关单元和信息存储等领域引起人们的广泛研宄兴趣，特别的，开环部花菁结构具有两性分子的性质，苯环上游离的氧原子可以跟阳离子(金属离子和质子等)结合，形成多态多功能的“三足鼎立”的可逆转化模式，因此其作为具有广谱性质的阳离子传感器化合物被广泛研宄。
[0004]以光致变色为代表的智能响应性材料是最近几十年来先进材料的主要发展方向，近百种不同的光致变响应材料被开发并应用与研宄人们的生产生活。我们课题组在光、电、磁刺激响应材料、信息存储、高性能检测分析研宄领域拥有深厚的知识与经验积累。课题组在之前的研宄中，深入研宄螺吡喃/螺恶嗪、偶氮苯等光致变色材料的响应机理及其在高密度光学信息存储、离子检测、表面浸润性调控等领域的应用，并发表系列具有影响力的研宄论文及专著。在光致变色材料与高效传感器阵列多底物复杂分析方面取得了良好的研宄进展。
【发明内容】
[0005]本发明的主要目的在于开发了一种通用性的光致变色动态多底物检测与分析的微芯片。
[0006]本发明的目的之二在于开发“一对多”的单个、简单化学传感器化合物组成的阵列芯片对多种不同底物的检测与分析，解决传统多底物检测芯片“多对多”分析方式，对大量成系列传感器化合物的依赖与需求。
[0007]本发明的目的之三在于解决传统多底物检测芯片“静态”的分析方法，通过引入刺激响应性材料为传感器构建“外场刺激响应的多底物分析芯片”，开发在不同光刺激条件下分析多底物检测信号，实现“动态”的高效多底物分析。
[0008]本发明的目的之四研宄光质变色等刺激响应材料在不同光刺激条件下不同的分子构型，以及其与不同分析底物结合的分子形态的差异。分子能态的理论计算模拟与实际实验的光谱数据相互验证，探索刺激响应材料在不同外场刺激条件下与检测底物结合响应的规律。
[0009]本发明的目的之五在于探索电、磁、热、pH响应材料构建智能响应检测芯片的方法，并进一步拓展智能响应芯片对其它阳离子、阴离子、离子对、氨基酸或蛋白等有机代谢物的检测与分析，研宄复杂环境多底物识别的通用分析方法，与标准化数据库的建立。
[0010]本发明的目的之六在于结合智能光响应微芯片与多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，建立一种通用多底物检测、识别与分析的方法。
[0011]本发明的目的之七在于通过智能光响应微芯片，在芯片上对Al3+，Fe3+，Co2+，Ni2+，Cu2+，Zn2+，Hg2.，Cd2+，Ca2+，Mg2+等多种不同金属阳离子实施检测与识别。
[0012]本发明的目的之八在于通过智能光响应微芯片，在芯片上对Ala、Arg、Cys、Gly、Lys、Pro、Met、Thr、Ser、His、Val、Tyr、Asn、Glu、Trp、Gin、lie、Phe、Asp、Leu 全 20 种天然氨基酸的检测识别，以及更多的阳离子、阴离子或生物分子的检测与识别。
[0013]本发明产品的制备方法如下:(如图1.示意)
[0014]1)将螺恶嗪分子溶于乙醇中，制备螺恶嗪传感分子溶液(浓度控制在0.5-1.0mM) ο
[0015]2)将步骤1)所制备的螺恶嗪溶液有序点蘸在玻璃等基底上，即制备得到光致变色多底物检测芯片。
[0016]本发明产品的使用方法如下:(如图2.示意)
[0017]1)将若干种被检测物配成溶液，有序点蘸在芯片上。
[0018]2)用荧光扫描仪或荧光显微镜对芯片在不同波长通道下进行荧光强度记录与成像。
[0019]3)计算出芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行主成分分析(PCA)、多级分组分析与线性差别分析，得出各检测底物的分组与组份相似性结果与识别分析。
[0020]本发明产品具有下列特点:
[0021]1)本发明将光致变色材料引入到传感器阵列，利用光致变色材料在不同光刺激条件下的以不同分子状态响应被检测分子所体现出来的丰富的化学信息量，在微阵列芯片上实现原单个化学传感器无法实现的多底物检测与复杂环境分析。
[0022]2)本发明可实现单一化学传感器对多底物的检测与分析，避免了传统传感器芯片对多个、成系列化合的需求，从而绕开了组合化学设计、多步合成、有效响应性化合物的筛选等合成化学的繁琐工艺，具有优秀的环境友好性与化学经济性。
[0023]3)本发明通过实验数据与理论模拟相互验证分析，推动光响应多底物检测芯片方法学的建立，实现光响应传感器芯片对多底物分析的广谱通用性应用。实验已经证明本发明可应用于多种金属阳离子的检测与分析。
[0024]4)本发明通过引入光、电、热等外场响应材料，研宄其在不同外场刺激下对反应物表现出的多重的荧光、吸收信号进行分析，开发动态的高通量芯片多底物检测分析方法，实现简单制备得到的传感器应用于广泛的复杂体系的检测。
[0025]5)本发明通过利用光致变色分子，简单构建微阵列芯片，具有工艺简便、快捷、易操作与成本低的特点。
【专利附图】
【附图说明】
[0026]图1.本发明光控多态分析微芯片进行高通量多底物检测与分析:以螺恶嗪/螺吡喃光致变色材料为传感器化合物构建微阵列芯片，研宄芯片在避光、紫外光照、可见光照等不同外场环境下对不同底物的响应差别及荧光信号分析，进而实现单一传感器化合物对复杂多底物的识别与分析。
[0027]图2.本发明实施例1所使用的荧光化学传感器“苯并螺恶嗪”在不同光刺激条件下对 Al3+，Fe3.，Co2+，Ni2.，Cu2+，Zn2+，Hg2.，Cd2+，Ca2+，Mg2+金属阳离子的荧光响应:a)螺恶嗪分子及其与金属离子的络合物在UV、Vis刺激下形成的各种开环和闭环结构示意图。b)点蘸了金属离子的螺恶嗪微芯片在不同光刺激作用下呈现的荧光图像。图像通过多通道荧光仪器记录的六个不同通道(450，480，505，535，570和605nm)内的荧光信号。c，d)利用线性差别分析用螺恶嗪微芯片对十种金属离子进行多组份分析的结果。
[0028]图3.多组分分析(HCA)用螺恶嗪微芯片对十种金属离子进行多组份分析的结果。
[0029]图4.本发明实施例2所使用的荧光化学传感器“苯并螺恶嗪”与金属阳离子配合，在不同光刺激条件下对 Ala，Arg, Cys, Gly, Lys, Pro, Met，Thr, Ser, His，Val, Tyr, Asn,Glu, Trp, Gin, lie, Phe, Asp，Leu全部20种天然氨基酸进行检测，利用线性差别分析用螺恶嗪金属配合物芯片微芯片对20种氨基酸进行多组份分析的结果。
【具体实施方式】
[0030]实施例1:
[0031]1)选择金属阳离子为被检测物质。在无光照条件下，将AlCl3，FeCl3，CoCl2，NiCl2，CuCl2，ZnCl2，HgCl2，CdCl2，CaCl2，18(:12金属阳离子水溶液点染在光致变色螺恶嗪芯片上。
[0032]2)在紫外灯(365nm)激发下，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0033]3)紫外照射检测芯片十分钟，用荧光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0034]4)可见光照射检测芯片十分钟，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0035]5)计算出每一种光照条件下芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。光致变色螺恶嗪检测芯片，对Al3+，Fe3.，Co2+，Ni2.，Cu2+，Zn2+，Hg2.，Cd2+，Ca2+，Mg2+金属阳离子响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，10种金属阳离子检测分别进行7次重复实验后可以被完全辨别与分组(如图2.)。经过多级分组分析(HCA)，可以得到以上10种金属阳离子的化学相似性结果(如图3.)。
[0036]实施例2
[0037]I)选择氨基酸为被检测物质，在螺恶嗪和金属阳离子的配合作用下进行检测。在无光照条件下，将FeCl3, CuCl2,取(:12金属阳离子水溶液分别点染在光致变色螺恶嗪芯片上，制成三个检测芯片。将 Ala，Arg, Cys, Gly, Lys, Pro, Met，Thr, Ser, His，Val，Tyr, Asn，Glu，Trp, Gin, He, Phe, Asp，Leu 点染在三个芯片上。
[0038]2)在紫外灯(365nm)激发下，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0039]3)紫外照射检测芯片十分钟，用荧光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0040]4)可见光照射检测芯片十分钟，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0041]5)计算出每一种光照条件下芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。光致变色螺恶嗪金属络合物检测芯片，对 Ala，Arg, Cys, Gly, Lys, Pro，Met，Thr, Ser, His，Val, Tyr, Asn, Glu, Trp, Gin, He,Phe, Asp，Leu全部20种天然氨基酸响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，20种氨基酸检测分别进行12次重复实验后可以被完全辨别与分组(如图4.)。
[0042]实施例3
[0043]I)选择二肽为被检测物质，在螺恶嗪和金属阳离子的配合作用下进行检测。在无光照条件下，将FeCl3,CuCl2,HgCl2金属阳离子水溶液分别点染在光致变色螺恶嗪芯片上，制成三个检测芯片。将 Val-Phe，Gly-Ala, His-Ala, Ala-His, Phe-Pro, Pro-Gly 点染在三个芯片上。
[0044]2)在紫外灯(365nm)激发下，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0045]3)紫外照射检测芯片十分钟，用荧光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0046]4)可见光照射检测芯片十分钟，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0047]5) 一种光照条件下芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。光致变色螺恶嗪金属络合物检测芯片，对Val-Phe, Gly-Ala, His-Ala, Ala-His, Phe-Pro, Pro-Gly, 6 种二肽响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，6种二肽检测分别进行12次重复实验后可以被完全辨别与分组。
[0048]实施例4
[0049]I)选择药物为被检测物质，在螺恶嗪和金属阳离子的配合作用下进行检测。在无光照条件下，将FeCl3, CuCl2, HgCl2金属阳离子水溶液分别点染在光致变色螺恶嗪芯片上，制成三个检测芯片。将抗敏安、苯福林、假麻黄碱、扑热息痛、法莫替丁、雷尼替丁、甲腈咪胍、尼扎替丁点染在三个芯片上。
[0050]2)在紫外灯(365nm)激发下，用焚光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0051]3)紫外照射检测芯片十分钟，用荧光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0052]4)可见光照射检测芯片十分钟，用荧光扫描仪对芯片分别在450nm，480nm，505nm，535nm，570nm和605nm波长的滤光片下进行焚光成像与强度记录。
[0053]5)计算出每一种光照条件下芯片点染前后的荧光的变化差值，将芯片对各种底物检测的荧光变化值进行线性差别分析与多级分组分析。光致变色螺恶嗪金属络合物检测芯片，对抗敏安、苯福林、假麻黄碱、扑热息痛、法莫替丁、雷尼替丁、甲腈咪胍、尼扎替丁，8种药物响应，通过统计学线性差别分析(LDA)，20种氨基酸检测分别进行12次重复实验后可以被完全辨别与分组。
【权利要求】
1.本发明是开发了一种通用性的用于高效多底物检测与分析的光致变色高通量微芯片与多态分析方法，其特征是:制备阵列排列的光致变色分子微芯片，利用螺吡喃/螺恶嗪分子在不同光刺激条件下对不同底物的响应光学差异，开发“一对多”的单个、简单化学传感器化合物组成的阵列芯片，对多种不同底物的检测与分析。解决传统多底物检测芯片“多对多”分析方式，对大量成系列传感器化合物的依赖与需求；结合多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等统计学方法，实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测；本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。
2.根据权利要求1所述的光致变色动态多底物检测微芯片，其特征是:利用在不同光照刺激条件下螺吡喃/螺恶嗪开环态与底物络合的及光谱差异与变化，在玻璃等基底上制备光致变色阵列芯片。
3.根据权利要求1或2所述的光致变色动态多底物检测微芯片，其特征是:本发明光致变色动态多底物检测微芯片拥有单个、简单光致变色分子组成的多行多列阵列芯片，芯片上光致变色材料在不同外界刺激作用下能形成不同的分子形态，以及其与检测底物结合形成不同分子构型与分子能态。
4.根据权利要求1或3所述的光致变色动态多底物检测微芯片，其特征是:在检测前，将光致变色分子阵列化排列构建动态多底物检测微芯片。
5.根据权利要求1或4所述的高效多底物检测与分析的光致变色微芯片，其特征是:通过多级分组分析(HCA)和线性差别分析(LDA)等方法，对微芯片上多底物响应信号进行统计处理，实现对所检测的底物识别与分组分析。
6.根据权利要求1，4或5所述的高效多底物检测与分析的光致变色动态多底物检测微芯片，其特征是:本发明的光致变色动态多底物检测微芯片与其多底物检测分析技术已经成功实现对 Al3+，Fe3.，Co2.，Ni2.，Cu2+，Zn2+，Hg2.，Cd2+，Ca2+，Mg2+Cr2+等多种金属阳离子的检测与识别。
7.根据权利要求1，4或5所述的高效多底物检测与分析的光致变色动态多底物检测微芯片，其特征是:本发明的光致变色动态多底物检测微芯片在金属阳离子的配合作用下可实现对 Ala、Arg、Cys、Gly、Lys、Pro、Met、Thr、Ser、His、Val、Tyr、Asn、Glu、Trp、Gin、lie、Phe、Asp、Leu全20种天然氨基酸的检测识别。
8.根据权利要求1，4，5，6或7所述的光致变色动态多底物检测与分析的微芯片，其特征是:利用螺吡喃/螺恶嗪在不同光刺激条件下对不同底物的响应光学差异，对普通传统化学传感器响应性的响应灵敏度与多底物识别度大幅提升，以实现单一、简单化学传感器对多底物的分析与检测。
9.根据权利要求1，4，5，6或7所述的光致变色动态多底物检测与分析的微芯片其特征是:本发明及其相应的分析方法具有对多底物检测荧光分析的广谱应用性。
【文档编号】B01L3/00GK104437688SQ201410670176
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月21日 优先权日:2014年11月21日
【发明者】秦萌, 李风煜, 李一凡, 黄羽, 宋延林 申请人:中国科学院化学研究所