本发明属于农药检测领域，更具体地，涉及一种光子晶体传感材料及其制备方法和应用。
背景技术：
光子晶体(pc)，是将不同介电常数的介质材料在空间内按照一定的周期顺序进行排列后形成具有光波长量级的有序周期性结构材料。光在光子晶体中传播时，会发生布拉格衍射，衍射波长遵循如下定律：mλ＝2ndsinθ，正是这种衍射使光子晶体具有独特的结构色。若光子晶体的晶格参数发生改变，则会引起衍射波长的改变，因此，光子晶体作为一种传感材料，可以实现无试剂、无标记快速检测。
要实现对目标物的特异性检测，需要在光子晶体上修饰识别元件，目前，光子晶体常用的识别元件是一些特殊的基团(如苯硼酸)、分子印迹聚合物或适配体。song等人以丙烯酸为单体，四环素为靶标，制备了反蛋白石分子印迹光子晶体聚合物，实现了对四环素的超灵敏比色检测。随着四环素浓度的增加，光子晶体的衍射波长逐渐红移，结构色也相应发生变化。gu等人将适配体聚合在光子晶体上，制备了光子晶体微胶囊，用于汞离子的检测。随着汞离子浓度的增加，汞离子与适配体的交联引起光子晶体微胶囊的收缩，晶格间距变小，最终发生衍射峰蓝移，实现了对汞离子的快速灵敏检测。此外，还有研究者研发出可对na+、k+、pb2+、双酚a、氯霉素、葡萄糖等产生响应的光子晶体。
但是，这些光子晶体的制备方法都很复杂，尤其对于有的目标物(如黄曲霉毒素b1、生物大分子等)来讲，很难制备分子印迹光子晶体聚合物，或者印迹效率过低，导致不能获得有效的响应信号；而将适配体聚合在光子晶体上达到形成交联的目的，则需要大量的适配体，适配体高昂的价格限制了该光子晶体的进一步研究和应用。因此，需要开发一种新型的、便于修饰各种识别元件(适配体、抗体、受体等)的光子晶体材料。
技术实现要素：
本发明的目的是克服现有技术的缺陷，提供一种便于修饰各种识别元件的光子晶体传感材料，使得该光子晶体传感材料的制备方法简单，以适配体作识别元件为例，所制备的光子晶体传感材料能够检测阿特拉津，且检测操作简单，检测灵敏度高。
为了实现上述目的，本发明的第一方面提供一种光子晶体传感材料的制备方法，该制备方法包括：
(1)在第一有机溶剂和氨水的存在下，将原硅酸四乙基酯进行水解反应，去除所述第一有机溶剂和剩余氨水，离心筛分粒径，制得硅球；
(2)在第一有机溶剂的存在下，将所述硅球与3-氨丙基三乙氧基硅烷混合，超声、充氮除氧后，进行搅拌反应，制得氨基化硅球；
(3)将氨基化硅球的水溶液与纳米金属溶液进行接触反应，获得修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球；
(4)将所述修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球进行堆垒，制得光子晶体；
(5)将所述光子晶体与识别元件结合，制得所述光子晶体传感材料。
本发明的第二方面提供一种上述制备方法制备的光子晶体传感材料。
本发明的第三方面提供一种上述光子晶体传感材料作为阿特拉津检测材料的应用。
本发明的技术方案具有如下优点：
1、本发明通过在单分散硅球表面修饰上氨基，通过氨基连接纳米金属颗粒，然后将修饰了纳米金属的硅球堆垒成蛋白石光子晶体，最后通过巯基将阿特拉津适配体连接在纳米金属颗粒的表面，从而获得具有绿色光泽的、修饰了阿特拉津适配体的光子晶体传感材料；制备方法简单，而且适配体的用量也不多，大大节约了成本；此外，修饰了纳米金的蛋白石光子晶体还可修饰抗体、受体等生物大分子，进一步拓展了光子晶体传感材料的应用范围。
2、本发明通过在光子晶体上修饰纳米金属，提高衍射光强信号，进而有利于提高检测灵敏度。
3、本发明的光子晶体传感材料作为阿特拉津检测材料，检测时，操作简单，无需任何前处理，并且检测灵敏度高，检测范围宽。
本发明的其它特征和优点将在随后具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
通过结合附图对本发明示例性实施方式进行更详细的描述，本发明的上述以及其它目的、特征和优势将变得更加明显。
图1示出了本发明的修饰纳米金与未修饰纳米金的光子晶体衍射信号对比图。
具体实施方式
下面将更详细地描述本发明的优选实施方式。虽然以下描述了本发明的优选实施方式，然而应该理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了使本发明更加透彻和完整，并且能够将本发明的范围完整地传达给本领域的技术人员。
本发明的第一方面提供一种光子晶体传感材料的制备方法，该制备方法包括：
(1)在第一有机溶剂和氨水的存在下，将原硅酸四乙基酯进行水解反应，去除所述第一有机溶剂和剩余氨水，离心筛分粒径，制得硅球；
(2)在第一有机溶剂的存在下，将所述硅球与3-氨丙基三乙氧基硅烷混合，超声、充氮除氧后，进行搅拌反应，制得氨基化硅球；
(3)将氨基化硅球的水溶液与纳米金属溶液进行接触反应，获得修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球；
(4)将所述修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球进行堆垒，制得光子晶体；
(5)将所述光子晶体与识别元件结合，制得所述光子晶体传感材料。
本发明中，所述第一有机溶剂优选为无水乙醇。
根据本发明，步骤(5)中，所述识别元件可以为适配体、抗体或受体；当所述识别元件为适配体时，所述识别元件的一端修饰有巯基，将所述光子晶体与一端修饰有巯基的识别元件通过接触反应结合，制得所述光子晶体传感材料。
作为优选方案，当所述识别元件为抗体或者受体时，将所述光子晶体与识别元件通过静电吸附作用结合，制得所述光子晶体传感材料。
本发明在单分散硅球表面修饰上氨基，通过氨基连接纳米金属颗粒，然后将修饰了纳米金属的硅球堆垒成蛋白石光子晶体，待其干燥后，滴加含有阿特拉津适配体的缓冲溶液，适配体的一端修饰有巯基，于是阿特拉津适配体通过巯基连接在纳米金属颗粒的表面，从而获得具有绿色光泽的、修饰了阿特拉津适配体的光子晶体传感材料。简单的制备过程，即可将检测识别元件搭载到光子晶体微球上，而且适配体的用量也不多，大大节约了成本。此外，修饰了纳米金属的蛋白石光子晶体还可修饰抗体、受体等生物大分子，进一步拓展了光子晶体传感材料的应用范围。
根据本发明，优选地，所述纳米金属溶液为纳米金溶液或者纳米银溶液。
作为优选方案，所述纳米金溶液的制备方法为：将四羟甲基氯化磷溶液与氢氧化钠溶液分散于水中，然后加入氯金酸，进行接触反应，制得纳米金溶液。其中，所述四羟甲基氯化磷溶液与氯金酸的体积比为0.002-0.008:1。
如图1所示，修饰金的光子晶体，衍射光强信号明显比没有修饰纳米金的光子晶体强很多(峰形更好，峰强高500a.u.)，由此可知，在光子晶体上修饰纳米金有利于提高检测灵敏度。
根据本发明，优选地，步骤(1)中，所述原硅酸四乙基酯与氨水的体积比为0.6-1.0：1，所述接触反应的温度为20-40℃，反应时间为6-12h。
根据本发明，优选地，步骤(2)中，所述硅球与3-氨丙基三乙氧基硅烷的体积比为2-10：1，所述接触反应的温度为60-80℃，反应时间为1-10h，优选为4-8h。
根据本发明，优选地，步骤(3)中，所述氨基化硅球与纳米金属溶液的体积比为0.5-2：1，所述接触反应的温度为20-28℃，反应时间为1-10h，优选为4-8h。
根据本发明，优选地，步骤(4)包括：将经过强酸与强氧化剂的混合液处理后的载玻片清洗干净，置于立式展缸中，用氮气吹干；然后将所述修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球倒入所述立式展缸中，放入30-50℃的烘箱中烘干，制得光子晶体。
根据本发明，优选地，当所述识别元件为适配体时，将所述光子晶体与一端修饰有巯基的识别元件通过接触反应结合，制得所述光子晶体传感材料；所述接触反应在缓冲溶液存在下进行，所述缓冲溶液为磷酸盐缓冲液；所述接触反应的温度为20-30℃，反应时间为10-15h，反应的湿度为75-85％。
本发明中，所述磷酸盐缓冲液的ph值优选为7-8。
本发明中，光子晶体是一块固体材料，光子晶体与一端修饰有巯基的识别元件的接触反应是通过把一端修饰有巯基的识别元件的溶液滴加到光子晶体上来实现的；本领域技术人员可根据需要确定二者的用量。
本发明的第二方面提供上述制备方法制备的光子晶体传感材料。
本发明的第三方面提供上述光子晶体传感材料作为阿特拉津检测材料的应用。
将本发明的光子晶体传感材料浸泡在pbs缓冲体系中稳定30min，将光子晶体传感材料置于探头下，记录下初始峰值。为了获得适配体与目标物的最佳反应条件，对该反应体系的ph进行优化，在ph为6.6、7.0、7.4、7.8及8.0条件下依次由低浓度到高浓度加入阿特拉津标准溶液(甲醇：水＝1：4，体积比)，观察响应情况。经过优化，最终选择ph为7.4的缓冲体系作为本发明的优选检测条件。
将最大浓度的阿特拉津标准溶液(5μg/ml)加入到本发明的光子晶体传感材料的pbs缓冲体系中(ph为7.4)，每1min记录响应信号，结果显示30min后，信号达到稳定。
在ph为7.4的pbs缓冲体系中，依次由低浓度到高浓度检测阿特拉津(0.1pg/ml-5μg/ml)，记录峰值变化，获得本发明的光子晶体传感材料的检测标曲线性范围为0.05-100ng/ml；最低检测限为0.5pg/ml。
本发明的光子晶体传感材料，对于实际样品湖水等地表水，无需任何前处理，直接加入检测体系即可，30min可获得稳定信号，操作简单，响应迅速；获得的响应信号通过标曲即可换算出地表水中阿特拉津的含量。
以下通过实施例进一步说明本发明：
实施例1
(1)在洗涤干净的干燥烧瓶中加入150ml无水乙醇和9ml氨水混匀，再加入7.2ml原硅酸四乙基酯(teos)，30℃下剧烈搅拌，转速600rpm,反应9小时；反应结束后将剩余氨水和无水乙醇通过离心的方法去除(转速4000rpm)，然后重新分散在无水乙醇中，通过离心筛分粒径(800rpm取上清，1500rpm取沉淀)，最后将制得的胶体颗粒(硅球)分散在10ml无水乙醇中保存；
(2)取合成的硅球1ml并用无水乙醇稀释到10ml，将其置于50ml的烧瓶中，加入200μl3-氨丙基三乙氧基硅烷(aptes)并超声5min，然后充氮除氧30min，最后在70℃条件下机械搅拌6小时，反应完成后用乙醇洗3次，得到氨基化硅球，并重悬于无水乙醇中；
(3)将12μl质量浓度为80％的四羟甲基氯化磷(thpc)和0.25μl2mol/l的氢氧化钠加入45ml水中，剧烈搅拌5min，然后快速加入2ml1％的氯金酸，溶液颜色变为深棕色，避光搅拌过夜，得到纳米金溶液；将氨基化硅球重新分散在10ml水中，加入10ml上述获得的纳米金溶液，混合超声15min，然后在室温下搅拌6小时，反应完成后离心洗涤5次，得到修饰纳米金属颗粒的氨基化硅球，最后重悬于水中以便后期使用；
(4)将浸泡于h2so4：h2o2的体积比为7:3的混合液后并用水和无水乙醇清洗干净的载玻片放入洗涤干净的立式展缸中，用氮气吹干，将10ml修饰纳米金颗粒的氨基化硅球倒入展缸中，放于40℃的烘箱中烘干，制得光子晶体；
(5)将200μl的一端修饰有巯基的适配体13000rpm离心1min，加入130μl磷酸盐缓冲液(pbsph＝7.4)将其稀释为10mmol/l，将垒好的光子晶体置于玻璃培养皿中，将上述适配体溶液滴加于光子晶体表面，并将培养皿放置于恒温恒湿箱中，温度25℃，湿度80％，反应12小时，制得光子晶体传感材料。
将所述光子晶体传感材料浸泡在ph＝7.4的pbs缓冲溶液中稳定30min，依次从低到高加入不同浓度的阿特拉津标准溶液，即阿特拉津标准溶液的浓度为0.1pg/ml-5μg/ml，通过观测光子晶体衍射峰强的变化，获得检测标曲线性范围为0.05-100ng/ml；最低检测限为0.5pg/ml。
以上已经描述了本发明的实施例，上述说明是示例性的，并非穷尽性的，并且也不限于所披露的实施例。在不偏离所说明的实施例的范围和精神的情况下，对于本技术领域的普通技术人员来说许多修改和变更都是显而易见的。