一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器及其制备方法和应用

1.本发明属于分析检测技术领域，具体涉及一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器及其制备方法和应用。


背景技术：

2.具有特异性分子识别位点的分子印迹聚合物由于易合成、低成本、高稳定性和极高的特异性结合能力，已经成为最具竞争力的人工受体之一。因此，基于分子印迹聚合物的传感器，例如电化学传感器、石英晶体微天平传感器和凝胶光子晶体传感器，表现出高选择性、优异的稳定性和长使用寿命。与其他传感器不同，由于独特的光子带隙，分子印迹凝胶光子晶体传感器可以直接将分子识别行为转换为视觉上可感知的颜色变化，从而无需任何仪器即可快速检测目标分子，因而备受关注。
3.目前分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备主要通过胶粒组装得到胶体晶体、前驱液在胶体晶体间隙中聚合、洗脱除去胶粒和模板分子的过程来实现。但在所得的分子印迹凝胶光子晶体传感器中，特异性分子识别位点大多位于凝胶基质内部，在一定程度上阻碍着目标分子向识别位点的运输，限制着识别位点的充分利用，导致较差的灵敏性和较慢的响应动力学。借助表面分子印迹技术可以制备出识别位点分布在表面的分子印迹聚合物。但由于分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备中所用胶粒缺乏功能团，目标分子很难固定其上，使得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备仍具有挑战。


技术实现要素：

4.为解决现有技术中的缺陷，本发明公开一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器及其制备方法和应用。
5.一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，包括：制备四环素在聚苯乙烯-丙烯酸psa胶粒表面均匀分布的psa胶体晶体；在psa胶体晶体表面覆盖一层玻璃片，并用夹子固定，得到psa胶体晶体模板；在psa胶体晶体模板上边缘滴加前驱液，直至psa胶体晶体模板由不透明变为透明状态；将透明状态的psa胶体晶体模板进行聚合处理，得到凝胶；将凝胶浸泡于去离子水中进行脱板处理，并对得到脱离玻璃片的凝胶进行后处理，除去凝胶中的psa胶体晶体；将后处理后的凝胶置于十二烷基硫酸钠/乙酸混合液中，制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
6.进一步的，所述psa胶体晶体的制备方法为：采用无皂乳液聚合法，制备psa聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液，乳液的单分散系数《0.005；将制备得到的psa微球乳液稀释后，得到乳液a；
在乳液a中加入四环素得到乳液b；将亲水玻璃片垂直放入乳液b中，置于恒温恒湿箱中，制备得到psa胶体晶体。
7.进一步的，所述制备得到的psa微球乳液粒径为200 nm，单分散系数小于0.005。
8.进一步的，所述恒温保湿箱的温度为60℃，湿度为40%，保温时间为24h。
9.进一步的，所述前驱液的制备方法包括：将功能单体、交联剂、溶于二次蒸馏水中混合均匀，再加入引发剂制备得到前驱液；所述功能单体包括丙烯酰胺和衣康酸；和/或，所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺；和/或，所述引发剂采用过硫酸铵。
10.进一步的，所述丙烯酰胺、衣康酸、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、水和过硫酸铵的摩尔比为1142-4000：857-1000：40-200：80：1。
11.进一步的，所述前驱液的组成为所述丙烯酰胺、衣康酸、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、水和过硫酸铵的摩尔比为2000:1000:120:80:1。
12.进一步的，所述聚合处理包括将透明状态的psa胶体晶体模板置于60℃聚合3h；和/或，所述后处理的方法包括将脱离玻璃片的凝胶干燥，然后将干燥后的凝胶置于二甲苯中48h。
13.本发明第二个目的是提供一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器，所述晶体传感器以上所述方法制备。
14.本发明第三个目的是提供一种上述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器在四环素的测定中的应用。
15.与现有技术相比，本发明所达到的有益效果是：（1）本发明采用表面具有羧基的聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒，使得四环素分子可以通过氢键作用吸附于其表面，因而四环素与聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒能同时自组装形成胶体晶体，并能以四环素与聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒同时自组装形成的胶体晶体为模板，通过功能单体的聚合，制备出了分子印迹识别位点分布于基质表面的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器；（2）本发明将黏附于玻璃片上的含有psa胶粒和四环素的凝胶浸泡于去离子水中，实现了无需依赖于玻璃片做载体的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备；（3）本发明制备得到的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器具有三维有序的大孔结构，在不同浓度的四环素溶液中呈现出肉眼可见的颜色变化，且在不同浓度的四环素溶液中具有不同的布拉格 (bragg) 衍射波长。随溶液中四环素浓度的增加发生红移，红移量 (δλ) 与目标分子浓度的负对数 (-logc) 呈线性关系，使得该传感器可用于定量检测，实现了对四环素的快速裸眼检测。
附图说明
16.图1 是实施例1-6制备的胶体晶体的sem照片和数码照片；图2是实施例2制备的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的sem照片；图3是实施例7中的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器在不同浓度四环素溶液的反射光谱图 ；
图4是图3中反射光谱图红移量(δλ) 与目标分子浓度的负对数 (-logc)线形图；图5是实施例7中的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器置于不同浓度（0 mol/l，10-9 mol/l，10-8 mol/l，10-7 mol/l，10-6 mol/l，10-5 mol/l，10-4 mol/l）四环素溶液中的光学照片。
具体实施方式
17.下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
18.实施例1一、制备聚苯乙烯-丙烯酸胶体晶体(以下简称psa胶体晶体)制备psa微球乳液：采用无皂乳液聚合法，制备psa胶粒乳液，psa胶粒乳液的质量分数为7.3 %，粒径为200 nm，单分散系数《0.005。
19.制备psa胶体晶体：对制备得到的psa微球乳液进行稀释，稀释到1%，得到乳液a。将0.1 mg的四环素溶于乳液a中，制得乳液b；然后将亲水的玻璃片垂直放入乳液b中，置于温度60℃、湿度40%的恒温恒湿箱中24 h，在玻璃片上制备出四环素在胶粒表面均匀分布的psa胶体晶体。
20.二、制备表面分子印迹凝胶光子晶体传感器将功能单体、交联剂、溶于5 ml二次蒸馏水中混合均匀，再加入引发剂混合均匀后制备得到前驱液，其中，功能单体采用丙烯酰胺（以下简称am）和衣康酸（以下简称ia），交联剂采用n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用过硫酸铵（以下简称aps），所述丙烯酰胺、衣康酸、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、水和过硫酸铵的摩尔比为1142-4000：857-1000：40-200：80：1。在本实施例中，功能单体采用4 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.14 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps），二次蒸馏水（h2o）的加入量为5 ml。
21.在psa胶体晶体表面覆盖一层玻璃片，用夹子固定，将其与水平面呈15
°
角放置，在psa胶体晶体上边缘滴加前驱液，直至psa胶体晶体由不透明变为透明状态。
22.将透明状态的psa胶体晶体置于60℃下聚合3 h，得到含有psa胶粒和四环素的凝胶。
23.将凝胶浸泡于去离子水中，凝胶可从玻璃片自动脱落；将脱落的凝胶干燥，然后置于二甲苯中48 h，除去psa胶体晶体。
24.最后将出去psa胶体晶体的凝胶置于十二烷基硫酸钠/乙酸混合液中3 h，除去四环素，即得到表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
25.实施例2与实施例1不同的是，制备psa胶体晶体时，加入四环素的质量为0.5 mg；制备前驱液时，功能单体采用7 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3.5 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.42 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps）。最终制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
26.实施例3与实施例1不同的是，制备psa胶体晶体时，加入四环素的质量为1 mg；制备前驱液
时，功能单体采用14 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3.5 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.7 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps）。最终制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
27.实施例4与实施例1不同的是，制备psa胶体晶体时，加入四环素的质量为2.5 mg；制备前驱液时，功能单体采用7 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3.5 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.42 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps）。最终制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
28.实施例5与实施例1不同的是，制备psa胶体晶体时，加入四环素的质量为10 mg；制备前驱液时，功能单体采用7 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3.5 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.42 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps）。最终制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
29.实施例6与实施例1不同的是，制备psa胶体晶体时，加入四环素的质量为20 mg；制备前驱液时，功能单体采用7 mmol丙烯酰胺（以下简称am）和3.5 mmol的衣康酸（以下简称ia），交联剂采用0.42 mmol n,n-亚甲基双丙烯酰胺 (以下简称bis)，引发剂采用0.0035 mmol过硫酸铵（以下简称aps）。最终制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。
30.实施例7本实施例提供了实施例2制备的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器对四环素的测定方法。配置浓度为0 mol/l，10-9 mol/l，10-8 mol/l，10-7 mol/l，10-6 mol/l，10-5 mol/l，10-4 mol/l的四环素水溶液，将所得的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器依次置于上述溶液中，待溶胀达到平衡后取出。
31.对psa胶体晶体进行拍照处理，其sem照片和数码照片如图1所示，可以看出四环素用量增多会在一定程度上影响胶体晶体的有序性，因此需严格控制模板分子用量。
32.对表面分子印迹凝胶光子晶体传感器进行拍照处理，其sem照片如图2所示，从照片中可以看出，其具有三维有序大孔结构。
33.对于实施例6中取出后的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器，用光纤光谱仪测定其反射光谱，如图3和图4所示，图3中按最高峰从左到右依次为0 mol/l、10-9 mol/l、10-8 mol/l、10-7 mol/l、10-6 mol/l、10-5 mol/l和10-4 mol/l的反射波长曲线，可以看出反射波长随溶液浓度增加发生红移，红移量为126 nm。此外，从图4可以看出红移量 (δλ) 与目标分子浓度的负对数 (-logc) 呈线性关系，使得该传感器可用于定量检测。同时对取出后的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器使用数码相机拍摄相应的光学照片，如图5所示。
34.本发明采用表面具有羧基的聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒，使得四环素分子可以通过氢键作用吸附于其表面，因而四环素与聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒能同时自组装形成胶体晶体，并能以四环素与聚苯乙烯-丙烯酸 (psa) 胶粒同时自组装形成的胶体晶体为模板，通过功能单体的聚合，制备出了分子印迹识别位点分布于基质表面的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器；同时本发明将黏附于玻璃片上的含有psa胶粒和四环素的凝胶浸泡于去离子水中，实现了无需依赖于玻璃片做载体的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制
备。制备得到的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器具有三维有序的大孔结构，在不同浓度的四环素溶液中呈现出肉眼可见的颜色变化，且在不同浓度的四环素溶液中具有不同的布拉格 (bragg) 衍射波长。随溶液中四环素浓度的增加发生红移，红移量 (δλ) 与目标分子浓度的负对数 (-logc) 呈线性关系，使得该传感器可用于定量检测，实现了对四环素的快速裸眼检测。
35.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，包括：制备四环素在聚苯乙烯-丙烯酸psa胶粒表面均匀分布的psa胶体晶体；在psa胶体晶体表面覆盖一层玻璃片，并用夹子固定，得到psa胶体晶体模板；在psa胶体晶体模板上边缘滴加前驱液，直至psa胶体晶体模板由不透明变为透明状态；将透明状态的psa胶体晶体模板进行聚合处理，得到凝胶；将凝胶浸泡于去离子水中进行脱板处理，并对得到脱离玻璃片的凝胶进行后处理，除去凝胶中的psa胶体晶体；将后处理后的凝胶置于十二烷基硫酸钠/乙酸混合液中，制得表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。2.根据权利要求1所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述psa胶体晶体的制备方法为：采用无皂乳液聚合法，制备psa聚苯乙烯-丙烯酸微球乳液；将制备得到的psa微球乳液稀释后，得到乳液a；在乳液a中加入四环素，得到乳液b；将亲水玻璃片垂直放入乳液b中，置于恒温恒湿箱中，制备得到psa胶体晶体。3.根据权利要求2所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述制备得到的psa微球乳液粒径为200 nm，单分散系数小于0.005。4.根据权利要求2所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述恒温保湿箱的温度为60℃，湿度为40%，保温时间为24h。5.根据权利要求1所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述前驱液的制备方法包括：将功能单体、交联剂、溶于二次蒸馏水中混合均匀，再加入引发剂制备得到前驱液；所述功能单体包括丙烯酰胺和衣康酸；和/或，所述交联剂为n,n-亚甲基双丙烯酰胺；和/或，所述引发剂采用过硫酸铵。6.根据权利要求5所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述丙烯酰胺、衣康酸、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、水和过硫酸铵的摩尔比为1142-4000：857-1000：40-200：80：1。7.根据权利要求6所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述前驱液的组成：丙烯酰胺、衣康酸、n,n-亚甲基双丙烯酰胺、水和过硫酸铵的摩尔比为2000:1000:120:80:1。8.根据权利要求1所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器的制备方法，其特征在于，所述聚合处理包括将透明状态的psa胶体晶体模板置于60℃聚合3h；和/或，所述后处理的方法包括将脱离玻璃片的凝胶干燥，然后将干燥后的凝胶置于二甲苯中48h。9.一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器，其特征在于，所述晶体传感器根据权利要求1-8所述方法制备。10.根据权利要求9所述的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器在四环素的测定中的应用。

技术总结
本发明涉及一种表面分子印迹凝胶光子晶体传感器及其制备方法和应用，所制备的表面分子印迹凝胶光子晶体传感器可用于目标分子的快速定性、定量检测。本发明以四环素与聚苯乙烯-丙烯酸(PSA)胶粒同时自组装形成的胶体晶体为模板，丙烯酰胺和衣康酸为双功能单体在胶体晶体间隙中聚合制备出表面分子印迹凝胶光子晶体传感器。所得传感器对目标分子响应较快(<60 s)，布拉格(Bragg)衍射波长随溶液中目标化合物浓度的增加发生红移，并能肉眼观察到明显的颜色变化。红移量(Δλ)与目标分子浓度的负对数(-logC)呈线性关系，使得该传感器可用于定量检测。本发明提高了分子印迹凝胶光子晶体传感器的灵敏度与检测速度。体传感器的灵敏度与检测速度。体传感器的灵敏度与检测速度。


技术研发人员：杨兆昆 黄士宇 秦立彦
受保护的技术使用者：无锡职业技术学院
技术研发日：2022.02.16
技术公布日：2022/5/25