一种两性离子聚合物水凝胶及其制备方法和应用方法技术

本发明专利技术属于聚合物水凝胶制备技术领域，具体为一种两性离子聚合物水凝胶的制备方法及其在生物传感器中的应用。本发明专利技术提供的两性离子聚合物水凝胶，包括如下组分：两性离子聚合物、碳量子点和葡萄糖氧化酶，这种两性离子聚合物水凝胶，制备方法简单，有利于水凝胶在生物传感器领域的应用；进一步通过氢键键合将碳量子点和葡萄糖氧化酶封装在两性离子聚合物水凝胶中，制备出pH敏感型含酶水凝胶，可有效地避免干扰酶的疏水活性位点，构建的生物传感器可以对pH和葡萄糖同时响应与检测，响应范围宽，灵敏度高。

Zwitterionic polymer hydrogel, preparation method and application method thereof

【技术实现步骤摘要】
一种两性离子聚合物水凝胶及其制备方法和应用方法
本专利技术属于聚合物水凝胶制备
，具体涉及一种两性离子聚合物水凝胶及其制备方法和应用方法。
技术介绍
目前在生物传感器开发中，传感器在体内或体外使用的长期稳定性是最重要的性能指标。经过几十年的研究，传感器的灵敏度、线性区间、准确性等指标己经得到很大程度地提高，但是如何实现无创血糖检测已成为研究人员为之努力的方向。为了改变这一局面，近年来正在积极研究血糖浓度的非损伤性测定方法，包括使用近红外光谱、拉曼光谱、荧光等光学手段进行血糖监测。这些方法光谱信噪比低，因而利用其测定的血糖值的准确性低。有鉴于上述现有的血糖检测手段存在的缺陷，本专利技术人基于从事此类产品设计制造多年丰富的实务经验及专业知识，并配合学理的运用，积极加以研究创新，以期创设一种两性离子聚合物水凝胶及其制备方法和应用方法，以提高测定的血糖值的准确性，使其更具有实用性。经过不断的研究、设计，并经反复试作样品及改进后，终于创设出确具实用价值的本专利技术。
技术实现思路
本专利技术两性离子聚合物水凝胶检测利用的主要原理如下：将碳量子点和葡萄糖氧化酶封装在两性离子聚合物水凝胶中，形成pH敏感型含酶水凝胶，应用在生物传感器中可以同时检测pH和葡萄糖；其作用机理是：碳量子点与聚合物形成的复合材料与pH溶液反应时，在电极pH溶液之间的界面处会形成双电层(edl)，edl的形成影响电化学测量，并随溶液的pH值而变化，从而导致电极的表面电势发生变化；在水凝胶与葡萄糖溶液反应时，水凝胶中的葡萄糖氧化酶会将葡萄糖氧化成酸和过氧化氢，而过氧化氢在电极上被还原成O2释放出电子，从而导致电极的表面电流发生变化；并通过检测得出，本专利技术设计的生物传感器对pH响应范围为5-9，颜色的显色范围为橙色至绿色，对pH的电位响应范围为40-50mV，对葡萄糖的电流响应范围为25-300μM，灵敏度为20-48μA/mM。本专利技术的第一目的在于，克服现有的血糖检测技术存在的测量准确度低的缺陷，而提供一种两性离子聚合物水凝胶，将碳量子点和葡萄糖氧化酶有效固定在水凝胶中，制备出的水凝胶实现可对pH和葡萄糖同时响应与检测，提高血糖检测准确性，从而更加适于实用，且具有产业上的利用价值。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：本专利技术提出的两性离子聚合物水凝胶，包括如下组分：两性离子聚合物、碳量子点和葡萄糖氧化酶，其中两性离子聚合物的结构式如下：结构中的R1由亚甲基、乙烯基、羰基、磺酸酯基、磷酸酯基中的任意一种或多种基团组成；R2由亚甲基、羰基、磺酸酯基、磷酸酯基中的任意一种或多种基团组成；R3为：氢或烷基；m为1000-17000，n为2000-20000。本专利技术提供的两性离子聚合物，由于在分子内部同时含有具有亲水的阴、阳离子基团，具有高电荷平衡，能够高度水化从而具有独特的抗生物污染性能，即能够阻抗非特异性蛋白质的吸附、细菌黏附和生物膜的形成。同时由于具有超亲水性，两性离子聚合物可避免干扰酶的疏水活性位点。本专利技术制备的两性离子聚合物是采用两种带有阴阳离子基团的烯类单体反应制取单体离子对，然后聚合交联而成；两性离子聚合物具有高电荷且平衡，调节单体用量和反应参数，可以使聚合物在宏观上保持电中性，并且可以通过离子溶剂化牢固结合水分子；蛋白质类酶的构像维持靠疏水作用力，而疏水氨基酸所构成的活性中心的作用力也大。因此，活性中心并不是由于反应的需求而呈现出疏水，而是因为结构维系而疏水。由于本专利技术提供的两性离子聚合物的水凝胶具有超亲水性，通过其众亲水基团之间的氢键结合大量水的能力而获得了无污染的表面特性。将酶固定在水凝胶中后，能够破坏蛋白质类酶内核的物质阻挡在水凝胶表面，防止了酶被污染而降低酶的活性；从而在水凝胶与葡萄糖溶液反应时，避免了酶的疏水活性位点受到干扰而进一步影响酶的催化反应，进而降低对血糖监测的误差影响，提高监测的灵敏度。进一步的，碳量子点是1,2,4-三氨基苯二盐酸盐和尿素通过水热合成法制备而成。在本申请中，以1,2,4-三氨基苯和尿素为原料，采用微波辅助水热法合成了一种新型的不依赖于激发的发光碳量子点(O-CDs)。在制备出的碳量子点中，可以发生由pH引起的醌结构与偶氮形式的转变。偶氮化合物即AZO，偶氮基─N＝N─与两个烃基相连接而生成的化合物，偶氮基能吸收一定波长的可见光，是一个显色基团。在pH可以诱导下O-CDs可能发生醌型结构和偶氮形式之间的转化。因此本申请中的O-CDs水溶液不仅在光致发光强度方面表现出出色的pH敏感性质，而且在可见光下对pH从5变为9表现出独特的比色响应。本专利技术的第二个目的在于，提供一种两性离子聚合物水凝胶的制备方法。本专利技术的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：更进一步的，一种两性离子聚合物水凝胶的制备方法，包括如下操作步骤：S1.将1,2,4-三氨基苯二盐酸盐和尿素溶解于超纯水中，充分搅拌后，将混合物溶液转移至应釜中密封，在180-240℃下反应20-60min，自然冷却至室温，得到溶液A；S2.将步骤S1中的溶液A过滤，过滤后将所得悬浮液用超纯水进行透析；透析结束后，将溶液置于真空冷冻干燥室中冷冻干燥，即可获得固体的碳量子点，存储备用；S3.取前驱阴离子单体A溶液、前驱阳离子单体B溶液、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺依次添加到四氢呋喃溶剂中，在冰浴中超声处理20-30min后，在混合液中继续加入引发剂、促进剂、1×10-9mol/L葡萄糖氧化酶，搅拌混合均匀后，反应15-35min，得到溶液B；S4.将步骤S3中的溶液B转移到玻璃表面皿中，置于恒温37℃下进行光聚合反应2-4h，聚合结束，即可获得含葡萄糖氧化酶聚合物水凝胶；S5.将步骤S2中的碳量子点溶于PBS中，配制成浸泡液；将步骤S4中的含葡萄糖氧化酶聚合物水凝胶完全浸入浸泡液中水合反应，每天更换浸泡液，持续N天；然后将水凝胶冲入直径为Dmm的圆盘中，即制得两性离子聚合物水凝胶，其中，N≥3，D≥5。本专利技术中将含酶水凝胶在含有碳量子点中的PBS缓冲液中浸泡进行水合反应，通过氢键将碳量子点与水凝胶中的聚合物有效键合；同时，通过长时间的浸泡和每天更换浸泡液，能够除去未反应的化学物质和过量的盐。更进一步的，其制备方法包括如下操作步骤：S1将1,2,4-三氨基苯二盐酸盐和尿素溶解于10-20mL超纯水中，充分搅拌后，将混合物溶液转移至聚四氟乙烯反应釜中密封，在180-240℃下反应20-60min，自然冷却至室温，得到溶液A；S2.将步骤S1中的溶液A通过孔径为0.22μm的PTFE注射过滤器过滤以除去大颗粒；然后，将所得悬浮液用超纯水进行透析24-48h，每6-8小时更换一次超纯水；透析结束后，将溶液置于真空冷冻干燥室中冷冻干燥，即可获得固体碳量子点，存储备用；S3.取前驱阴离子单体A溶液、前驱阳离子单体B溶液、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺依次添加到四氢呋喃溶剂中，在冰浴中超声处理20-30min后，在混合液中继续加入引发本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种两性离子聚合物水凝胶，其特征在于，包括如下组分：两性离子聚合物、碳量子点和葡萄糖氧化酶，其中所述两性离子聚合物的结构式如下：/n

【技术特征摘要】
1.一种两性离子聚合物水凝胶，其特征在于，包括如下组分：两性离子聚合物、碳量子点和葡萄糖氧化酶，其中所述两性离子聚合物的结构式如下：



结构中的R1由亚甲基、乙烯基、羰基、磺酸酯基、磷酸酯基中的任意一种或多种基团组成；R2由亚甲基、羰基、磺酸酯基、磷酸酯基中的任意一种或多种基团组成；R3为：氢或烷基；m为1000-17000，n为2000-20000。


2.根据权利要求1所述的一种两性离子聚合物水凝胶，其特征在于，所述碳量子点是1,2,4-三氨基苯二盐酸盐和尿素通过水热合成法制备而成。


3.根据权利要求1或2所述的一种两性离子聚合物水凝胶的制备方法，其特征在于，包括如下操作步骤：
S1.将1,2,4-三氨基苯二盐酸盐和尿素溶解于超纯水中，充分搅拌后，将混合物溶液转移至应釜中密封，在180-240℃下反应20-60min，自然冷却至室温，得到溶液A；
S2.将步骤S1中的溶液A过滤，过滤后将所得悬浮液用超纯水进行透析；透析结束后，将溶液置于真空冷冻干燥室中冷冻干燥，即可获得固体的碳量子点，存储备用；
S3.取前驱阴离子单体A溶液、前驱阳离子单体B溶液、N,N'-亚甲基双丙烯酰胺依次添加到四氢呋喃溶剂中，在冰浴中超声处理20-30min后，在混合液中继续加入引发剂、促进剂、1×10-9mol/L葡萄糖氧化酶，搅拌混合均匀后，反应15-35min，得到溶液B；
S4.将步骤S3中的溶液B转移到玻璃表面皿中，置于恒温37℃下进行光聚合反应2-4h，聚合结束，即可获得含葡萄糖氧化酶聚合物水凝胶；
S5.将步骤S2中的碳量子点溶于PBS中，配制成浸泡液；将步骤S4中的含葡萄糖氧化酶聚合物水凝胶完全浸入浸泡液中...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁宁一，江瑶瑶，丁建宁，戴胜平，董旭，
申请(专利权)人：常州大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32