本发明涉及一种用于检测体液ph的传感器及其制备和应用方法。
背景技术：
人体体液的酸碱度(ph值)可反映多种生化信息。比如创面微环境的ph值可通过影响组织氧释放、血管再生、细菌毒力、酶活性等多个方面影响创面愈合，通过检测和监测ph值，调整创面微环境的酸碱度，有助于促进难愈性创面(创伤、烧伤、压疮、糖尿病相关溃疡)的修复。再如，唾液ph可反映口腔的病理生理状态，低ph与牙本质、牙釉质的腐蚀、粘膜炎症相关，并且可降低口腔钛合金假体表面氧化膜的稳定性及抗腐蚀能力，检测口腔ph值有助于口腔疾病的早期防治。此外，胃液的ph值检测可反映部分胃肠疾病状态及治疗效果，胃液的ph值检测和监测在临床上具备较重要的临床意义。
目前针对体液ph的检测方法有电化学方法和光学方法。电化学方法结果容易受到溶液离子的干扰，而电极容易污染。相较于电化学方法，光学方法更适于ph的检测。检测唾液ph的光学方法包含荧光法和化学发光法。荧光和化学发光法中，需要较复杂的光路系统，并且对检测环境有要求。相较于荧光和化学发光法，基于局部等离子体共振原理的生物传感器具有高通量，检测所需仪器简单，结果可靠，价格便宜等优点。
金属纳米结构具有独特的光、电、磁性质，适于制作lspr(localizedsurfaceplasmonresonance，局部表面等离子体共振)生物传感元件。在纳米结构外包覆敏感的介电材料可以用来检测多种分子，因此在移动医疗和快速检测领域具有潜在的应用价值。而纳米结构作为lspr传感元件，用于监测除血液以外的体液中分子或离子浓度的应用鲜有报道。
技术实现要素：
本发明的目的在于提供一种用于检测体液ph的传感器及其制备和应用方法。
本发明所采取的技术方案是：
一种用于检测体液ph的传感器，包括金属纳米结构基底，金属纳米结构基底外包裹有氢离子浓度敏感材料层。
金属纳米结构基底为纳米金属颗粒基底、纳米金属锥有序阵列基底中的其中一种。
氢离子浓度敏感材料层的厚度为5nm～20μm。
氢离子浓度敏感材料层为聚苯胺层、聚吡咯层、聚丙烯酸层中的至少一种。
上述一种用于检测体液ph的传感器的制备方法，是通过化学氧化法，在金属纳米结构基底上沉积氢离子浓度敏感材料层。
制备方法中，化学氧化法为溶液聚合法或乳液聚合法。
制备方法中，金属纳米结构基底是将光学透明基底浸泡在纳米金属颗粒溶液后得到的，或者是将纳米金属锥有序阵列经表面活性剂溶液活化处理后得到的。
一种用于检测体液ph的集成器件，包括上述的一种用于检测体液ph的传感器、发光二极管光源和薄膜晶体管检测器。
一种检测体液ph的方法，是使用上述的一种用于检测体液ph的集成器件检测体液的ph变化。
体液为创面渗出液、唾液、胃液中的其中一种。
本发明的有益效果是：
本发明基于局部等离子体共振原理的生物传感器具有高通量、检测仪器简单、结果可靠和价格便宜等优点，通过将氢离子浓度敏感的材料层包被于金属纳米结构上，可用于人体体液(如创面渗出液、唾液、胃液等)ph的快速检测和监测。本发明的传感器制备技术简单、成本低廉且可集成，适用于大批量生产。
附图说明
图1是实施例2制得的传感器结构示意图；
图2是实施例2的传感器表面的扫描电镜图；
图3是实施例2的传感器对ph的响应图。
具体实施方式
一种用于检测体液ph的传感器，包括金属纳米结构基底，金属纳米结构基底外包裹有氢离子浓度敏感材料层。
优选的，金属纳米结构基底为纳米金属颗粒基底、纳米金属锥有序阵列基底中的其中一种；进一步优选的，金属纳米结构基底为纳米金颗粒基底或铝纳米锥有序阵列基底。
氢离子浓度敏感材料层的厚度为5nm～20μm。
优选的，氢离子浓度敏感材料层为聚苯胺层、聚吡咯层、聚丙烯酸层中的至少一种；进一步优选的，氢离子浓度敏感材料层为聚苯胺层。
上述一种用于检测体液ph的传感器的制备方法，是通过化学氧化法，在金属纳米结构基底上沉积氢离子浓度敏感材料层。
制备方法中，优选的，化学氧化法为溶液聚合法或乳液聚合法。
进一步的，当化学氧化法为溶液聚合法时，是将金属纳米结构基底浸泡在含有氢离子浓度敏感材料单体、引发剂和介质溶液中反应，制得用于检测体液ph的传感器。
进一步的，当化学氧化法为乳液聚合法时，是将金属纳米结构基底先浸泡在含有氢离子浓度敏感材料单体和乳化剂的混合液中，再加入引发剂反应，制得用于检测体液ph的传感器。
优选的，含有氢离子浓度敏感材料单体为苯胺；介质溶液为盐酸溶液；引发剂为过硫酸铵；乳化剂为十二烷硫酸钠。
制备方法中，优选的，金属纳米结构基底是将光学透明基底浸泡在纳米金属颗粒溶液后得到的，或者是将纳米金属锥有序阵列经表面活性剂溶液活化处理后得到的。
优选的，光学透明基底为玻璃基底；纳米金属颗粒溶液为纳米金颗粒溶液；纳米金属锥有序阵列为铝纳米锥有序阵列；表面活性剂为溴化十六烷三甲基铵。
具体的，金属纳米结构基底是通过玻璃基体浸泡纳米金颗粒溶液后制成的，所述的纳米金颗粒是通过柠檬酸盐还原氯金酸的方法制成的；或者，金属纳米结构基底是通过铝纳米锥有序阵列浸泡溴化十六烷三甲基铵溶液活化后制成的。
一种用于检测体液ph的集成器件，包括上述的一种用于检测体液ph的传感器、发光二极管光源和薄膜晶体管检测器。
进一步的，将传感器、发光二极管光源和薄膜晶体管检测器集成得到用于检测体液ph的集成器件。
一种检测体液ph的方法，是使用上述的一种用于检测体液ph的集成器件检测体液的ph变化。
体液为创面渗出液、唾液、胃液中的其中一种。
本发明ph传感的原理如下：包裹在金属纳米结构表面的材料对氢离子具有敏感性，或是对质子的掺杂程度有响应。当周围环境的ph值发生变化时，氢离子敏感材料会由于质子掺杂程度不同而出现电学结构上的变化，而这种变化将会影响纳米结构材料表面的折射率，进而影响纳米结构的lspr效应。这种lspr效应的影响不仅在图谱上表现为lspr峰的红移或蓝移，并伴随肉眼可见的溶液颜色的变化。且通常这种对氢离子敏感材料的质子掺杂是完全可逆的，因此该金属纳米结构复合材料的响应也能具有较好的可逆性和重现性。
以下通过具体的实施例对本发明的内容作进一步详细的说明。
实施例1：
实施例1的传感器以铝(al)纳米锥结构阵列为元件，聚苯胺为敏感材料，具体的制备方法如下：
步骤一：首先将干净的al纳米锥阵列浸泡在溴化十六烷三甲基铵(ctab溶液，0.5m)中，静置5min。
步骤二：然后将al纳米锥阵列取出，用纯水清洗后，放入苯胺(2mm，1.5ml)和十二烷基硫酸钠(sds，40mm，0.25ml)混合溶液中，充分振荡2min；
步骤三：其次，在该溶液中加入含有过硫酸铵的盐酸溶液(2mm过硫酸铵/10mm盐酸，1.5ml)，振荡使溶液混合均匀；
步骤四：静置后反应开始进行。静置3～24h后，将al纳米锥阵列从溶液中取出，用纯水冲洗干净阵列表面即可得到表面修饰上聚苯胺的al纳米锥阵列。
步骤五：al纳米锥阵列表面的聚苯胺厚度可以通过控制反应时间来调节：反应时间越长，聚苯胺的厚度越厚。超过24h后，反应基本停止。此时，重复以上步骤可以进一步增加聚苯胺包裹的厚度，聚苯胺包裹的厚度区间以5nm～20μm为宜。
实施例2：
实施例2的传感器以玻璃为基底材料，金纳米颗粒为元件，聚苯胺为敏感材料，其结构可见附图1的结构是示意图。图1中，1-玻璃基底；2-金纳米颗粒；3-聚苯胺层。具体的制备方法如下：
步骤一：基底预备：对玻璃基底进行清洗、亲水化处理。
步骤二：金纳米颗粒的合成：在烧杯a中加入20ml的水放到-4℃的冰箱中降温；再另取一个烧杯b往里加入超纯水，1ml的柠檬酸钠溶液和1ml的氯金酸溶液；称取0.038g的硼氢化钠置于烧杯c中，从烧杯a中取10ml的冰水加入到烧杯c中；然后取溶好的硼氢化钠溶液1ml加入到烧杯b中并即刻摇晃。烧杯b需用锡纸包住做避光处理，静置4小时，便可得到所需的种子溶液。取1.83gctab于烧杯d中，加入100ml的水后，将其置于超声清洗机中加速ctab的溶解；将溶好的ctab分别倒入烧杯e、f、g中，分别往里加入适量的氢氧化钠溶液、抗坏血酸溶液和氯金酸溶液；取1ml所合成的种子溶液加入到烧杯e中并迅速摇晃，然后立即取5mle中的溶液加入到烧杯f中并迅速摇晃；再取2.5ml的烧杯f中的溶液加入到烧杯g中，然后将烧杯g密封后静置7h以上，然后往里加入氯化钠溶液后，静置12小时后，金纳米颗粒便会在烧杯底部沉积。
步骤三：金纳米颗粒基底的制作：取3ml的步骤二合成的纳米颗粒离心并重悬2次得到纳米金颗粒溶液；将步骤一得到的亲水化处理的玻璃基底浸泡于金纳米颗粒溶液中24小时，得到金纳米颗粒基底。
步骤四：在金纳米颗粒基底表面包裹聚苯胺层：配置混合液(苯胺单体浓度为2.0mm，过硫酸铵浓度为2mm，表面活性剂sds浓度为40mm)，用浓盐酸将ph调至于2.0，将步骤三得到的纳米金颗粒基底浸泡于烧杯的混合液体中；6小时以后，将烧杯中溶液变为墨绿色，取出玻片反复润洗，除去其表面过剩的聚苯胺和过硫酸铵；然后在将其烘干，烘干完成后就得到纳米金-聚苯胺复合颗粒传感器。
附图2是实施例2的传感器表面的扫描电镜图。从图2可见，聚苯胺层覆盖均匀，且包裹了金纳米结构，有效形成了敏感层。附图3是实施例2的传感器对ph的响应图。从图3可见，实施例2的传感器在不同ph为3～5的不同区间有良好的响应效果；在ph4.0时光响应强度保持基本稳定。
将实施例2制得的传感器与发光二极管光源、薄膜晶体管检测器集成得到用于检测体液ph的集成器件。将此集成器件置于口腔的牙套内，检测薄膜晶体管的信号强度及信号强度变化即可检测口腔内唾液的ph变化。