用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料和葡萄糖检测方法技术

本发明专利技术提供了一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，包括聚丙烯酰胺‑丙烯酸凝胶和包埋于所述凝胶中的光子晶体，所述凝胶直接或间接地化学接枝苯硼酸基团，其中，所述光子晶体为二维光子晶体或三维光子晶体。本发明专利技术还提供了基于所述光子晶体凝胶材料的葡萄糖检测方法，利用颜色模式分析法，将光子晶体凝胶材料检测葡萄糖溶液后显示的颜色信息转化成葡萄糖浓度信息。本发明专利技术提供的葡萄糖检测方法可高选择性、灵敏、便捷以及可视化地定性或定量检测葡萄糖浓度，为糖尿病患者的尿糖监控提供了新的非创伤性检测方法。

【技术实现步骤摘要】
用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料和葡萄糖检测方法
本专利技术涉及葡萄糖检测
，具体涉及一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，以及一种葡萄糖检测方法和装置。
技术介绍
近些年，糖尿病已经日益成为世界范围内影响人类健康的最严重因素之一，这种慢性疾病不仅本身会对患者造成巨大痛苦，其所产生的中风、心血管疾病等并发症同样会给患者造成伤害。为了控制这种疾病带来的危害，实时准确地对糖含量进行监测是十分必要的。然而，现阶段我国临床和家庭常用的血糖检测方法均需采血，不仅给病人造成了疼痛和不便，更有可能造成伤口感染，给病人带来二次伤害。近年血糖检测的发展方向是制备非侵入式(无痛)、反复使用、连续检测的监测仪器。传统的葡萄糖检测方法都涉及葡萄糖氧化酶，而酶的存在不仅需要严苛的保存环境，同时还会受到尿液中复杂成分的干扰。正因如此，越来越多的科学家将目光投向了非酶法传感技术备。然而，目前非创伤性葡萄糖非酶法检测方法仍然存在选择性低、灵敏性不足、响应时间长或检测步骤繁琐等问题。光子晶体的概念于1987年提出，其是一类新兴的光学材料，可以衍射特定波长的光，从而显示出特定的结构色，可用于生化物质的裸眼检测。在光子晶体中，周期性排列的重复结构单元以光波长量级为尺度，根据其重复结构循环维数，可分为一维、二维和三维光子晶体。光子晶体的制造方法主要有精密机械加工法、半导体制造技术、胶体自组装法等。作为一种新型的信息传导材料，光子晶体已成为学术界的一个研究热点。然而，作为一种新兴起的光学材料，光子晶体的光学性能仍然需要进一步提高以便更好地显示其结构色，提高其应用性。此外，若能将光子晶体用于葡萄糖检测中，并修饰或优化检测体系，则将可实现一种灵敏、便捷的可视化的非创伤性葡萄糖检测方法。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，用以快速、灵敏、高选择性地检测葡萄糖含量信息，尤其可用于便捷地检测人体尿糖的高低。本专利技术的另一个目的在于开创一种基于本专利技术提供的光子晶体凝胶材料的新的葡萄糖检测方法，以及可以用于实现该检测方法的装置。根据本专利技术的一个方面，提供了一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，包括聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶和包埋于所述凝胶中的光子晶体，所述凝胶直接或间接地化学接枝苯硼酸，其中，所述光子晶体为二维光子晶体或三维光子晶体。智能材料是一种新型材料，其中主要包括智能金属材料、智能无机材料和高分子智能材料。高分子凝胶是指三维高分子网络与溶剂组成的体系，网络交联结构使其不溶解而保持一定的形状，且因为凝胶结构中含有亲溶剂性基团，使之可因溶剂的存在发生溶胀而达到平衡体积。这类高分子凝胶可随环境条件的变化而产生可逆的、非连续性的体积变化。因此，高分子凝胶在感应材料方面具有重要的潜在应用价值。然而，目前高分子凝胶在化合物检测方面普遍存在重复性差、选择性不高等缺陷。本专利技术将光子晶体和高分子凝胶结合起来，并在结合体系中以葡萄糖辨识底物苯硼酸功能化，使其能特异性地识别葡萄糖分子，并排除果糖等人体尿液中含有的其他干扰成分，巧妙地利用光子晶体独特的光学性能和高分子凝胶随环境条件的变化而产生可逆的、非连续性的体积变化的特点，以及苯硼酸对凝胶的可修饰化及其对葡萄糖的特异性选择性，实现了一种高选择性的、检测结果可视化的葡萄糖检测材料，奠定了提供可方便快捷地检测尿糖含量的非侵入性葡萄糖检测传感器的基础。根据本专利技术，所述聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶是指由丙烯酰胺类单体和丙烯酸单体共聚形成的凝胶体系。所述丙烯酰胺类单体具有丙烯酰胺基本结构，优选为3-8个碳原子的丙烯酰胺单体，更优选3-5个碳原子的丙烯酰胺类单体，例如可以是丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、2-丁烯酰胺等。所述丙烯酸类单体具有丙烯酸基本结构，优选为3-8个碳原子的丙烯酸类单体，更优选3-5个碳原子的丙烯酸类单体，例如可以是丙烯酸、甲基丙烯酸、2-丁烯酸、3-甲基-2-丁烯酸等。在本专利技术的一个实施方式中，所述聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶由丙烯酰胺单体和丙烯酸单体聚合而成；该实施方式以最简单的两种单体共聚而成，简化了体系，节约了生产成本。根据本专利技术的一些优选实施方式，所述光子晶体由单分散性纳米微球规则排布而成，所述纳米微球的粒径在200-1000nm，优选300-700nm。在前述粒径范围内的单分散性纳米微球通过规则排布可形成具有显著的光学性能，可为葡萄糖检测提供可视化的结果，提高检测灵敏度。当单分散性纳米微球单层紧密堆积时，形成二维光子晶体。优选地，微球相互错开排列，即相邻两排微球之间相互错开，第二排的微球处于第一排中的两个相邻微球之间形成的空隙中，与这两个相邻微球相切。当单分散性纳米微球在三维空间上以特定规则紧密堆积形成的光子晶体为三维光子晶体。当光线照射在三维光子晶体阵列上时，由于光子晶体的特殊结构，会折射出布拉格衍射光。如果衍射光波处于可见波长的范围，则人们可以看见明亮的颜色，即“结构色”。光子晶体的结构色不同于传统意义上的颜色，它与电子吸收无关，而是取决于光子晶体的微观结构。在本专利技术中，采用上述粒径范围的纳米微球制备的光子晶体在自然光下具有明亮的结构色，并且优于二维光子晶体的是，三维阵列在固定角度下观察其结构色较为单一，因而更有利于其应用中的葡萄糖比色检测。因此，在本专利技术提供的葡萄糖检测方法或制备葡萄糖检测装置中，优选使用三维光子晶体，其具有面心立方结构，并任选地具有四方排列结构。面心立方结构(fcc)结构是理论上的热力学最稳定结构，而本专利技术制备和使用的三维光子晶体中，在极微小的局部中可以观察到亚稳态的四方阵列结构。这种亚稳态结构视为光子晶体阵列的结构缺陷，并不对整体的结构及检测结果造成影响，且不希望被理论所束缚地，这些亚稳态的四方阵列结构可能有助于增强视觉观察到的显色效果，从而提高检测的可视化程度。根据本专利技术，构成光子晶体的纳米微球优选为聚苯乙烯(PS)纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)纳米微球或二氧化硅纳米微球。本专利技术中，在构造二维光子晶体时，优选使用聚苯乙烯纳米微球，其更易于在液面形成单层排布的二维阵列，从而提高二维光子晶体制备的可操作性，提高二维光子晶体的结构的规则性。本专利技术中，在制备三维光子晶体时，优选使用聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球；试验发现，在本专利技术使用制备三维光子晶体中，使用聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球可获得结构更加规则、均一，发光性能更好的三维光子晶体。据推测，这是由于聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球具有更加适合于胶体组装方法的密度，从而产生了更好的自组装效果。根据本专利技术，光子晶体本身的厚度一般在250-2000nm，其中三维光子晶体厚度一般在800-1500nm。优选地，基于所述光子晶体形成的光子晶体凝胶材料是厚度100-400μm，优选150-300μm的膜。进一步地，若所述光子晶体为二维光子晶体，则膜的厚度优选在150-250μm；若所述光子晶体为三维光子晶体，则膜的厚度优选在200-300μm。光子晶体具有精细的微观结构，其光学性能由其微观结构产生，光子晶体凝胶膜的厚度太薄，则膜的刚性不足、易被损害，膜太厚，则影响光子晶体力学性能的发挥。上述厚度范围的光子晶体材料既可保证其检测的灵敏性和精确度，有使其自身具备一定强度，避免在制备和应用过程中发生卷曲、破碎等情况。根据本专利技术，凝本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，包括聚丙烯酰胺‑丙烯酸凝胶和包埋于所述凝胶中的光子晶体，所述凝胶直接或间接地化学接枝苯硼酸基团，其中，所述光子晶体为二维光子晶体或三维光子晶体。

【技术特征摘要】
1.一种用于检测葡萄糖的光子晶体凝胶材料，包括聚丙烯酰胺-丙烯酸凝胶和包埋于所述凝胶中的光子晶体，所述凝胶直接或间接地化学接枝苯硼酸基团，其中，所述光子晶体为二维光子晶体或三维光子晶体。2.根据权利要求1所述的光子晶体凝胶材料，其特征在于，所述光子晶体由单分散性纳米微球规则排布而成，所述纳米微球的粒径在200-1000nm，优选300-700nm；优选所述光子晶体具有面心立方结构，并任选地具有四方排列结构。3.根据权利要求1或2所述的光子晶体凝胶材料，其特征在于，光子晶体凝胶材料为厚度150-400μm的膜；优选所述纳米微球为聚苯乙烯纳米微球、聚甲基丙烯酸甲酯纳米微球或二氧化硅纳米微球。4.根据权利要求1-3中任一项所述的光子晶体凝胶材料，其特征在于，所述光子晶体凝胶材料的图像在HSB颜色模式下的H值在0-30，且随着光子晶体凝胶材料吸附葡萄糖的量增大，H值变大。5.如权利要求1-4中任一项所述的光子晶体凝胶材料的制备方法，包括以下步骤：1)制备光子晶体配制单分散性纳米微球溶液，将单分散性纳米微球溶液滴加至水面，以在水面形成六边形堆积排列的单层纳米微球阵列，将基片伸入水面下并将水面上的纳米微球捞起，晾干，得到二维光子晶体，其中，优选在伸入所述基片之前在水面边缘滴加十二烷基硫酸钠溶液，还优选所述单分散性纳米微球溶液以1:0.8-1.2的去离子水和醇为溶剂，纳米微球的浓度为6-15重量％；或者配制单分散性纳米微球溶液，将基片垂直伸入单分散性纳米微球溶液中，恒温恒湿条件下蒸发液体，得到自组装于所述基片上的三维光子晶体，其中，优选所述单分散性纳米微球溶液中纳米微球的浓度为2-4mg/mL，还优选在25-40℃的温度和RH40-60％的湿度下蒸发液体；2)配制凝胶预聚液将丙烯酰胺类单体和丙烯酸类单体加入去离子水中，添加交联剂、引发剂和极性溶剂，混合均匀，通入氮气，其中，优选丙烯酰胺类单体和丙烯酸类单体的摩尔比在9-11:1，极性溶剂与水的体积比为1：70-90，优选交联剂的添...

【专利技术属性】
技术研发人员：孟子晖，闫泽群，薛敏，蓝云鹤，王树山，
申请(专利权)人：北京理工大学，
类型：发明
国别省市：北京,11