用于秒级实时监测的葡萄糖响应性光子纳米链

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血液中的葡萄糖(血糖)是人体的主要供能物质,若人体血糖分泌紊乱(糖尿病)则会引起多种并发症进而危及生命。但目前的技术仍无法治愈糖尿病,只能通过对血糖含量的实时监测来控制糖尿病。在过去的数十年里,发展了多种葡萄糖检测技术及传感器。其中,临床上应用最为广泛的仍是电化学葡萄糖传感器,但其面临许多难以解决的问题,如信号干扰、信号漂移等。随后,光学葡萄糖检测技术为广大研究者提供了全新的研究方向。其中,葡萄糖响应性光子晶体传感器是将光子晶体与葡萄糖响应性凝胶相结合,通过葡萄糖浓度的变化逐步引起凝胶体积、光子晶体晶格常数、传感器颜色的改变,实现了裸眼可视检测。然而传统的葡萄糖响应性光子晶体大都以数十到上百微米(厚度或直径)的凝胶膜或微球的宏观形式存在,具有葡萄糖响应时间长、制备复杂等缺点,仍无法满足葡萄糖实时监测的需求。所以发展葡萄糖的实时监测技术已迫在眉睫。本实验室已使用氢键模板聚合法制备出对pH、温度、溶剂响应的光子纳米链,由于它们的凝胶壳层厚度仅为十几个纳米,使得其对刺激源的响应时间已提升至秒级。如果将葡萄糖响应性凝胶作为壳层包覆在链结构的周围,形成葡萄糖响应性光子纳米链,可望将响应速率提升至秒级。然而氢键模板聚合法并不适用于葡萄糖响应性光子纳米链的制备。针对这一问题,本文创新性的发展了一种通用的DMSO溶剂化层法,成功制备了一类新的秒级葡萄糖响应性光子晶体纳米链传感器。本论文的主要研究内容及结果如下:(1)在水和DMSO溶液中,以Fe3O4@PVP粒子在磁场下所形成的链为模板,AAPBA由于DMSO和AAPPBA的共同作用被富集到链周围,通过原位聚合得到Fe3O4@PVP@PAAPBA光子纳米链。研究了水和DMSO的比例对光子链结构的影响,阐明了成链机理:DMSO溶剂化层及亲DMSO疏水性单体的选择是成链的关键。随后,研究了光子链的葡萄糖响应性能,表现为在测试环境pH10.0时,响应时间已达到秒级。(2)在(1)的基础上引入HEAA/AM亲水单体,通过DMSO溶剂化层法制备得到Fe3O4@poly(AAPBA-co-HEAA)、Fe3O4@poly(AAPBA-co-AM)光子纳米链,使得Fe3O4@PVP@PAAPBA光子纳米链的pKa值降低(使用环境由pH10.0降至8.0)、葡萄糖响应范围得到提升(Δλ0-50由33 nm分别提升至176 nm、147 nm)。以Fe3O4@poly(AAPBA-co-HEAA)光子链为例,阐明了其制备和葡萄糖响应机理,研究了其葡萄糖响应性能随各影响因素的变化规律。结果表明:此光子纳米链在葡萄糖浓度为0-15 mM时,实现了颜色逐渐从亮绿、亮黄、橙黄、橙红至红色的变化,达到了裸眼可视的秒级检测。Fe3O4@poly(AAPBA-co-HEAA)光子纳米链因其制备简单、周期短、效率高,对葡萄糖响应快速、灵敏、可视、全光谱,尺寸小,测试环境友好等优点可望应用于秒级葡萄糖实时监测。
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