基于生物鳞片的原位光学pH值检测器的制备方法

专利名称：基于生物鳞片的原位光学pH值检测器的制备方法
技术领域：
本发明涉及的是一种生物光子晶体材料技术领域的检测装置，具体是一种基于生物鳞片的原位光学PH值检测器的制备方法。
背景技术：
pH值光学检测器由于避免了直接的电化学表面接触，减小了腐蚀和污染，从而在原位检测等生物医学领域显示了极大的优势。目前常用的光学PH探测器基于荧光高分子染料，如专利荧光pH检测器系统和相关方法(专利号200580033961. I)，探测器输送激励光并在至少两个波长处接收来自固定于基质上的荧光染料的发射光。以及基于荧光素夹层双层氢氧化物的快速响应光学pH检测器(Optical pH Sensor with Rapid Response Based on a Fluoresce in-intercalated Layered Double Hydroxide, W. Y.Shi, et al.， Advanced Functional Materials 2010，20，3856-3863)和双色系统比色光学 pH 检测器 (Colorimetric optical pH sensor production using a dual-color system,Η. X. Chen, et al. , Sensors and Actuators B-Chemical 2010，146，278-282)等均为利用染料的激发光谱随环境的酸碱性变化对pH值进行检测和标定。此类器件可达到较高的精度，但存在稳定性差、化学物质易泄露、生物相容性差等方面问题。解决上述问题的思路之一是釆用对pH值敏感的聚合物光子晶体阵列(Photonic Crystal Colloidal Assay，PCCA)代替焚光高分子染料作为响应元件。如聚轻基异丁烯酸酯光子晶体pH 和乙醇检测材料(Polymerized poIyHEMA photonic crystals pH and ethanol sensor materials，X. Xu, Journal ofthe American Chemical Society 2008， 130,3113-3119)基于聚合物光子结构反蛋白石凝胶模板的快速响应光子晶体pH传感器 (Fast response photonic crystal pH sensor based on templated photo-polymerized hydrogel inverse opa，J. Shin，Sensors and Actuators，B :Chemical 2010，150，183-190)等。智能高分子PCCA伴随环境pH值的变化可发生体积改变，进而影响其介电结构周期的空间分布，从而光反射特性可发生变化。然而，PCCA光子晶体模板的自组装过程对合成条件要求较高，结构从拓扑学角度而言缺乏多样性。另一方面，自然界生物体通过亿万年的自然选择与淘汰，进化出了多种多样的天然生物光子晶体结构，例如甲虫甲壳、蝴蝶翅膀鳞片等。这些结构往往不能通过现有的技术同尺度人工仿造，并且具有精细、小尺度(亚微米级别)、成本低廉、易于获取等优点。经过对现有技术的检索发现，2010年材料科学领域顶级期刊《先进功能材料》 (Advance Functional Materials)上的综述(C. I. Aguirre, et al. ,Advanced Functional Materials 2010，20，2565-2578)中指出，新型光学器件设计及制造要取得突破应充分借鉴生物光子晶体的分级精细结构，然而迄今为止，尚没有利用生物结构制备原位光学PH值检测器的报道出现。

发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于生物鳞片的原位光学pH 值检测器的制备方法，利用鳞翅目生物(蝴蝶与蛾)的翅膀鳞片作为“物理染料”，用 pH值敏感水凝胶,例如壳聚糖/聚乙烯醇(Chitosan/PVA)等，对单个鳞片(大小约为 100ymX200ym)进行填充包埋。凝胶交联固化后形成可随环境pH值变化膨胀、收缩的高分子薄膜，其中所嵌入的蝶翅鳞片亚微米级结构为本PH值敏感元件的光学响应核心。本发明是通过以下技术方案实现的，本发明通过将聚乙烯醇-壳聚糖前驱体溶液加载于石英玻璃上并将鳞翅目生物鳞片浸没其中，然后向生物鳞片上滴加交联剂戊二醛溶液并待自然干燥后进行加热烘干，得到基于生物鳞片的原位光学PH值检测器。所述的聚乙烯醇-壳聚糖前驱体溶液通过以下方式制备得到壳聚糖溶解于冰醋酸水溶液中得到壳聚糖溶液；然后将聚乙烯醇溶解在蒸馏水中并与壳聚糖溶液混合得到。所述的交联剂戊二醛溶液是指体积浓度为25%的戊二醛水溶液，溶于蒸馏水获得1%体积浓度的溶液以作为交联剂；然后滴加戊二醛交联剂，使得戊二醛占高分子前驱体的质量浓度为l-4X10_5mol/g。所述的鳞翅目生物鳞片是指太阳蛾鳞片，其鳞片优选为具有4微米以下栅格间距的太阳蛾鳞片。所述的加热烘干是指在真空烘箱中50°C烘干12小时。本发明涉及一种pH值检测方法，通过将上述制备得到的pH值检测器浸泡于待测溶液中，并根据反射光谱的不同谱峰位置检测得到溶液的PH值。所述的浸泡是指使凝胶复合鳞片和溶液达到溶胀/脱溶胀平衡。所述的不同谱峰位置是指首先标定pH值检测器在不度酸碱度中的光学特性，即谱峰位置，作为检测的标准，然后根据待测溶液的谱峰对照得到PH值。所述的pH值检测器在弱碱性环境中具有最高分辨率。本发明首次利用生物光子晶体结构，即鳞翅目生物太阳蛾鳞片作为光学响应核心，利用壳聚糖/聚乙烯醇PH敏感凝胶作为基体材料，使鳞片反射光谱伴随凝胶体积变化对pH产生响应。与传统荧光染料光学pH值探测器相比，本发明规避了染料泄漏污染等缺点，而与 pH值敏感PCCA探测器相比，本发明具有制备简单、成本低廉，结构精细多样、性能可调节性强等优点，该器件所使用的材料均无毒无害，可用于人体诊断及生物医药器械。另一方面， 本发明首次将用于人造肌肉和药物释放的智能凝胶与天然光子晶体相结合，实现了对鳞翅目生物鳞片天然光子晶体内部微观结构和光学性能的调控。为天然生物光子晶体无法进行有效调控的技术困难提供了一种解决途径。


图I为本发明的制备流程图；图中(a)为原始生物鳞片在智能凝胶中的包埋过程；(b)为包埋后复合体的固化过程。图2为实施例示意图；图中(a)是本发明实施实例实物图；(b)为所选取太阳蛾鳞片结构的扫描电子显微镜照片。图3为本发明实施实例中光谱随pH值响应数据示意图；图中(a)酸性条件；(b)碱性条件。图4为实施实例的凝胶红外光谱(FTIR)谱图。
具体实施例方式下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。实施例I、pH检测响应核心——鳞翅目生物鳞片选取鳞翅目生物太阳蛾(Chrysiridia rhipheus)的翅膀鳞片为被填埋物。太阳蛾为鳞翅目生物中较为特殊的一类，具有几乎所有波段的结构色(包括罕见的红结构色)， 而且还是少数具有腹面结构色的鳞翅目生物之一。通过扫描电子显微镜观察发现，不同颜色区域鳞片的重复结构单元，即正面的 “窗”形结构的尺度差别很大，其中红色区域鳞片的栅格间距约为4微米，而绿色区域仅为I 微米左右。本实施方式选取红色区域鳞片作为被填埋物。2、凝胶复合鳞片器件的制备从多种pH敏感材料中，选取聚乙烯醇/壳聚糖作为包埋和填充的高分子凝胶体系为例。壳聚糖(chitosan，CS)是自然界唯一大量存在的碱性多糖，具有良好的组织相容性、 生物可降解性和黏附性，在医学、生物学领域得到了深入研究和广泛应用。同时，壳聚糖是鳞片化学成分几丁质的脱乙酰基产物，两者成分接近，提供了很好的化学相容性。聚乙烯醇 (PVA)是唯一的水溶性高分子，其凝胶因具有良好的生物相容性、生物降解性和机械性能。 CS与PVA以质量比例I : I 5 : I进行混合反应，可得到具有良好溶胀性质和刺激响应性的凝胶网络。壳聚糖(脱乙酰基率O. 76，分子量2 XlO5)，在50°C下溶解于10%的冰醋酸水溶液中，得到壳聚糖溶液(3.0%，w/w)。将聚乙烯醇在70°C条件下，溶解在蒸馏水中，得到 10wt%的溶液。将两种溶液相互混合，保证壳聚糖和聚乙烯醇的质量比为I : I I : 5， 将此前驱体溶液在50°C下，用磁力搅拌器搅拌I小时，直至混合均匀。将25% (v/v)的戊二醛溶液溶于蒸馏水获得I % (v/v)的溶液以作为交联剂；然后滴加戊二醛交联剂，使得戊二醛占高分子前驱体的质量浓度为2X l(T5mol/g.器件制作流程如图I所示，将单独的太阳蛾鳞片置于石英玻璃上，浸没在以 I : I 5 : I质量比配好的聚乙烯醇/壳聚糖前驱体溶液中，滴加配制好的交联剂戊二醛溶液，在真空烘箱中50°C烘干12小时，使前驱体溶液充分反应，直至形成包埋有鳞片的高分子薄膜，厚度约为100微米。将薄膜中包埋有鳞片的部分裁剪至1.0X1. 5cm尺寸，即得 PH原位光学检测器件，如图2(a)所示，其中鳞片的微观结构见图2(b)。3、pH检测器响应性能根据光学pH检测器反射光谱的不同谱峰位置，可检测溶液的pH值。首先标定该 PH值检测器在不度酸碱度中的光学特性，作为检测的标准。
随机选取用去离子水溶胀后的样品，用pH为I 13的溶液分别对其进行浸泡，使凝胶复合鳞片和溶液达到溶胀/脱溶胀平衡，酸性环境中考虑到反射光谱变化范围较小， 以pH值2为梯度，在碱性环境中以pH值I为梯度。待pH值检测器光信号达到稳定，对其反射光谱进行原位测量。从未溶胀至溶胀，由于凝胶溶胀将鳞片内部结构扩大，反射谱峰从680nm红移约50nm至730nm,如图3 (a)所示。在pH = 3时可达到反射谱峰的波长最大值。从中性弱碱性环境时，反射光谱出现明显变化，在pH = 8 10之间变化程度最大，当 pH = 13时反射谱峰蓝移至最短波长 470nm，见图3(b)，反射谱峰的总体移动范围达到 260nm。本器件在弱碱性环境中具有最高分辨率。对比例制备方法和材料选择参照实施例1，交联剂戊二醛水溶液浓度分别为O、 lX10_5mOl/g、4X10_5mOl/g，如表1，对比例中和实施例I (G2)中的壳聚糖/聚乙烯醇凝胶的红外光谱(FTIR)，由于反应前后亚甲基不变，可选择作2900CHT1的C-H特征峰为参考峰， 1560cm-1附近壳聚糖酰胺键N-H键和一级胺基的特征峰相比C-H吸收强度比A156(l/A29(l(l随着交联剂浓度的提高而减弱，根据比尔博朗定律可知，N-H键含量减少。红外光谱已经不能检测出醛的特征峰，由于戊二醛和酰胺反应活性较低，戊二醛几乎全部与壳聚糖的一级胺基反应。缩醛反应后形成的希弗碱链接壳聚糖链形成三维高分子网络，再遇PVA形成互传网络。随着戊二醛浓度的提高，壳聚糖理论交联度提高，理论溶胀平衡下降。如果交联度过低， 如图4中的Gl和G2，高分子凝胶网络输送，会造成溶胀以后凝胶基体和太阳蛾鳞片分离，若浓度较高，溶胀能力下降会减小反射光谱谱峰的移动范围，如图4中G3。因此，实施例I中的交联剂浓度较为合理。表I不同实施例中交联剂浓度和理论交联度比较。
权利要求
1.一种基于生物鳞片的原位光学pH值检测器的制备方法，其特征在于，通过将聚乙烯醇-壳聚糖前驱体溶液加载于石英玻璃上并将鳞翅目生物鳞片浸没其中，然后向生物鳞片上滴加交联剂戊二醛溶液并待自然干燥后进行加热烘干，得到基于生物鳞片的原位光学PH 值检测器。
2.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的聚乙烯醇-壳聚糖前驱体溶液通过以下方式制备得到壳聚糖溶解于冰醋酸水溶液中得到壳聚糖溶液；然后将聚乙烯醇溶解在蒸馏水中并与壳聚糖溶液混合得到。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征是，所述的交联剂戊二醛溶液是指体积浓度为 25%的戊二醛水溶液，溶于蒸馏水获得1%体积浓度的溶液以作为交联剂；然后滴加戊二醛交联剂得到。
4.根据权利要求I或3所述的方法，其特征是，所述的交联剂戊二醛溶液中戊二醛占高分子前驱体的质量浓度为l-4Xl(T5mol/g。
5.根据上述任一权利要求所述的方法，其特征是，所述的鳞翅目生物鳞片是指太阳蛾鳞片。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征是，所述的鳞翅目生物鳞片为具有4微米以下栅格间距的太阳蛾鳞片。
7.一种基于生物鳞片的原位光学PH值检测器，其特征在于，根据上述任一权利要求所述方法制备得到。
8.一种pH值检测方法，其特征在于，通过将上述任一权利要求所述的原位光学pH值检测器浸泡于待测溶液中，并根据反射光谱的不同谱峰位置检测得到溶液的PH值。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的浸泡是指使凝胶复合鳞片和溶液达到溶胀/脱溶胀平衡。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征是，所述的不同谱峰位置是指首先标定pH值检测器在不度酸碱度中的光学特性，即谱峰位置，作为检测的标准，然后根据待测溶液的谱峰对照得到PH值。
全文摘要
一种生物光子晶体材料技术领域的基于生物鳞片的原位光学pH值检测器的制备方法，通过将聚乙烯醇-壳聚糖前驱体溶液加载于石英玻璃上并将鳞翅目生物鳞片浸没其中，然后向生物鳞片上滴加交联剂戊二醛溶液并待自然干燥后进行加热烘干，得到基于生物鳞片的原位光学pH值检测器。本发明规避了染料泄漏污染等缺点，而与pH值敏感PCCA探测器相比，实现了对鳞翅目生物鳞片天然光子晶体内部微观结构和光学性能的调控。为天然生物光子晶体无法进行有效调控的技术困难提供了一种解决途径。
文档编号G01N21/80GK102590208SQ20121001789
公开日2012年7月18日 申请日期2012年1月19日 优先权日2012年1月19日
发明者张荻, 臧浠凝, 顾佳俊 申请人:上海交通大学