环境响应型智能传感装置及其制备方法与应用制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种环境响应型智能传感装置及其制备方法与应用。所述环境响应型智能传感装置包括：图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷，所述至少两个凹陷内填充含引发剂的第一聚合物而于衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；以及复数个第二聚合物接枝链，所述第二聚合物接枝链首端通过与第一聚合物表面的活性官能团反应而共价键合于所述平坦图案上，同时第二聚合物接枝链的末端共价键合有染色大分子，所述染色大分子选自短嵌段聚合物，所述短嵌段聚合物具有荧光基团以及能够与选定小分子特异性结合的功能基团。本发明专利技术中聚合物接枝链可以对不同溶剂产生响应，或对特定分子产生响应，实现环境响应条件下的自动控制功能。

Environmental Response Intelligent Sensing Device and Its Preparation Method and Application

The invention discloses an environment-responsive intelligent sensor device, a preparation method and application thereof. The environment-responsive intelligent sensing device includes: a graphical substrate with at least two pits spaced on the substrate surface, a flat pattern as a sensing region formed on the substrate surface by filling at least two pits with the first polymer containing initiator, and a plurality of second polymer grafting chains, the first end of which passes through the first polymer grafting chain. The active functional groups on the surface of the compound react and covalently bond on the flat pattern. At the same time, the end of the second polymer graft chain covalently bonds with dyed macromolecules, which are selected from short block polymers, which have fluorescent groups and functional groups that can specifically bind to selected small molecules. The polymer graft chain in the invention can respond to different solvents or specific molecules, and realize the automatic control function under environmental response conditions.

【技术实现步骤摘要】
环境响应型智能传感装置及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种传感装置，具体涉及一种环境响应型智能传感装置及其制备方法与应用。
技术介绍
“环境响应型智能材料研发与性能优化”尝试利用自主研发的环境响应材料，在常规器件基底上进行修饰和组装，以通过改变环境条件的手段来实现对基底表面性能的控制和调节。通过对基底形态的检测或者荧光信号的检测，可以将这些变化的物理量或化学量转换为可识别的信号，以实现智能材料所需要的性能。该类智能材料可以用在环境监测领域和自动化控制领域。常规智能传感材料可通过环境条件的改变引发材料构象变化，比如可通过材料功能基的异构化来完成，如顺反异构化反应、生色基团的电离等，而这些又将导致材料性能的改变。原子转移自由基聚合(Atomtransferradicalpolymerization，ATRP)是目前应用非常广泛的可控聚合方法(WANGJS，MATYJASZEWSKIK.Controlled/“living”radicalpolymerization.Atomtransferradicalpolymerizationinthepresenceoftransition-mentalcomplexs[J].JournaloftheAmericanChemicalSociety，1995，117(20):5614－5615.)，可广泛应用于复合材料嵌段设计和功能性高分子材料的制备中，但目前业界还尚未报道其用来制备环境响应型智能传感装置。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种环境响应型智能传感装置及其制备方法与应用，从而克服现有技术中的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术实施例提供了一种环境响应型智能传感装置，其包括：图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷，所述至少两个凹陷内填充含引发剂的第一聚合物而于所述衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；以及复数个第二聚合物接枝链，所述第二聚合物接枝链首端通过与第一聚合物表面的活性官能团反应而共价键合于所述平坦图案上，同时所述第二聚合物接枝链的末端共价键合有染色大分子，所述染色大分子选自短嵌段聚合物，所述短嵌段聚合物具有荧光基团以及能够与选定小分子特异性结合的功能基团。进一步地，当被置于良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为拉伸状态，而当被置于不良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为坍缩状态，并且所述第二聚合物接枝链在拉伸状态下的长度至少是其在坍缩状态下的长度的6～10倍。本专利技术实施例还提供了前述环境响应型智能传感装置的制备方法，其包括如下步骤：(1)提供图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷；(2)将含有活性官能团的第一聚合物的前体回填至所述衬底表面的凹陷内，再在聚合温度下，将所述衬底表面与一平面对准压合，所述平面的表面能高于所述衬底表面，从而形成于所述衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；(3)使复数个第二聚合物接枝链的首端与第一聚合物表面的活性官能团通过原子转移自由基聚合反应而共价键合；(4)使所述第二聚合物接枝链的末端与有染色大分子通过亲核取代反应而共价键合。本专利技术实施例还提供了一种检测方法，它是基于前述环境响应型智能传感装置实施的，所述的检测方法包括：使包含不良溶剂和选定小分子的待测液态样品与所述环境响应型智能传感装置的传感区域，并检测传感区域的荧光强度变化，从而实现对待测液态样品中选定小分子的检测。较之现有技术，本专利技术的优点至少在于：本专利技术提供的环境响应型智能传感装置，通过改变溶剂性质来精确控制传感装置，或者设计特定基底测量溶液分子特性的可能性，通过调整聚合物接枝链末端的材料种类，可以使传感装置对多种多样的环境条件产生响应，如不同的试剂浓度、不同的温湿度、不同的电场和磁场，实现了环境响应条件下的自动控制功能。这为设计智能材料提供了一个全新的方式，在胶粒稳态固定、吸附性控制、液晶显示、水气污染物自动监测等领域具有广阔的应用前景，也是未来数据开发的重要基础信息搜集单元。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案中利用回填方法制备图形化衬底，并生成第二聚合物接枝链的示意图。图2a和图2b分别是本专利技术一典型实施方案中生长聚苯乙烯接枝链的Si衬底表面显微镜图，其中，图2a为线形图案化的Si衬底，图2b为平坦图形化衬底。图3是本专利技术一典型实施方案中填充后的衬底的红外光谱谱图。图4a和图4c是本专利技术一典型实施方案中生长聚苯乙烯接枝链的平坦图形化衬底在乙醇中的液相原子力显微镜图和结构扫描曲线图。图4b和图4d是本专利技术一典型实施方案中生长聚苯乙烯接枝链的平坦图形化衬底在DMF中的液相原子力显微镜图和结构扫描曲线图。图5是本专利技术一典型实施方案中通过第一步ATRP反应和第二步亲核取代反应在回填表面平坦图案上嵌入末端荧光基团的示意图。图6是本专利技术一典型实施方案中染色大分子具有的荧光基团在356nm激发光源下的发射光谱图。图7a和图7b分别是本专利技术一典型实施方案中第二聚合物接枝链在原始状态和共价键合有染色大分子后吸附状态的荧光强度示意图。具体实施方式鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，环境响应型智能材料能够自主选择聚合物接枝链，生成可定制的材料基底，对不同的环境条件产生特定的响应。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。本专利技术实施例的一个方面提供的一种环境响应型智能传感装置，其包括：图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷，所述至少两个凹陷内填充含引发剂的第一聚合物而于所述衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；以及复数个第二聚合物接枝链，所述第二聚合物接枝链首端通过与第一聚合物表面的活性官能团反应而共价键合于所述平坦图案上，同时所述第二聚合物接枝链的末端共价键合有染色大分子，所述染色大分子选自短嵌段聚合物，所述短嵌段聚合物具有荧光基团以及能够与选定小分子特异性结合的功能基团。进一步地，当被置于良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为拉伸状态，而当被置于不良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为坍缩状态，并且所述第二聚合物接枝链在拉伸状态下的长度至少是其在坍缩状态下的长度的6～10倍。进一步地，当将所述环境响应型智能传感装置的传感区域与良溶剂接触时，所述复数个第二聚合物接枝链均被拉伸而组成竖立的刷毛状结构，而当将所述环境响应型智能传感装置的传感区域与不良溶剂接触时，所述复数个第二聚合物接枝链均坍缩于衬底表面且使所述平坦图案中各间隔设置的图形之间具有清晰边界。进一步地，所述第二聚合物接枝链的首端与第一聚合物表面的活性官能团通过原子转移自由基聚合反应而共价键合，以及，所述第二聚合物接枝链的末端与有染色大分子通过亲核取代反应而共价键合。进一步地，所述第一聚合物包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步地，所述第二聚合物接枝链与含有氨基的染色大分子蛋白、酶、核酸等共价键合，但不限于此。进一步地，所述短嵌段聚合物的数均分子量为300～450。进一步地，所述短嵌段聚合物具有含15～30个碳原子的链段。进一步地，所述第二聚合物接枝链来源于聚苯乙烯，但不限于此。进一步地，所述染色大分子具有的荧光基团来源于下式所示化本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种环境响应型智能传感装置，其特征在于包括：图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷，所述至少两个凹陷内填充含引发剂的第一聚合物而于所述衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；以及，复数个第二聚合物接枝链，所述第二聚合物接枝链首端通过与第一聚合物表面的活性官能团反应而共价键合于所述平坦图案上，同时所述第二聚合物接枝链的末端共价键合有染色大分子，所述染色大分子选自短嵌段聚合物，所述短嵌段聚合物具有荧光基团以及能够与选定小分子特异性结合的功能基团。

【技术特征摘要】
1.一种环境响应型智能传感装置，其特征在于包括：图形化衬底，所述衬底表面形成有至少两个间隔设置的凹陷，所述至少两个凹陷内填充含引发剂的第一聚合物而于所述衬底表面形成作为传感区域的平坦图案；以及，复数个第二聚合物接枝链，所述第二聚合物接枝链首端通过与第一聚合物表面的活性官能团反应而共价键合于所述平坦图案上，同时所述第二聚合物接枝链的末端共价键合有染色大分子，所述染色大分子选自短嵌段聚合物，所述短嵌段聚合物具有荧光基团以及能够与选定小分子特异性结合的功能基团。2.根据权利要求1所述的环境响应型智能传感装置，其特征在于：当被置于良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为拉伸状态，而当被置于不良溶剂中时，所述第二聚合物接枝链呈现为坍缩状态，并且所述第二聚合物接枝链在拉伸状态下的长度至少是其在坍缩状态下的长度的6～10倍。3.根据权利要求2所述的环境响应型智能传感装置，其特征在于：当将所述环境响应型智能传感装置的传感区域与良溶剂接触时，所述复数个第二聚合物接枝链均被拉伸而组成竖立的刷毛状结构，而当将所述环境响应型智能传感装置的传感区域与不良溶剂接触时，所述复数个第二聚合物接枝链均坍缩于衬底表面且使所述平坦图案中各间隔设置的图形之间具有清晰边界。4.根据权利要求1所述的环境响应型智能传感装置，其特征在于：所述第二聚合物接枝链的首端与第一聚合物表面的活性官能团通过原子转移自由基聚合反应而共价键合，以及，所述第二聚合物接枝链的末端与有染色大分子通过亲核取代反应而共价键合；和/或，所述第一聚合物包括聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和聚对苯二甲酸乙二醇酯中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述第二聚合物接枝链与含有氨基的染色大分子共价键合；所述染色大分子包括染色大分子蛋白、酶和核酸中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述短嵌段聚合物的数均分子量为300～450；优选的，所述短嵌段聚合物具有含15～30个碳原子的链段。5.根据权利要求1所述的环境响应型智能传感装置，其特征在于：所述第二聚合物接枝链来源于聚苯乙烯；和/或，所述染色大分子具有的荧光基团来源于下式所示化合物：6.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：李光朔，王洁，朱益新，蒋应龙，杨宗辉，王敏，郑菁菁，陈辊，
申请(专利权)人：中认英泰检测技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32