CN110308080A - 利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，首先利用厚壁毛细管腔中泵浦罗丹明‑B，在玻璃壁附近形成光学几何共振模式，然后在毛细管内壁做高分子聚合物薄膜用来键合特定功能键的颗粒，最后采用离散傅里叶变化分析几何模式包括三角模式和星模式的位移。本发明提供的方法，定向测量特定功能键颗粒，灵敏度高，成本低，测量方法简单，稳定，可重复性好，共振的激光模式比回音壁模式的强度高，检测限低，无光漂白。
Description
技术领域
本发明属于光学传感领域，具体涉及一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法。
背景技术
基于回音壁模式的光学谐振腔，包含微球，微环，毛细管在传感方面有广泛应用。基于回音壁模式的传感基于两种方法测量模式结构。一种是利用波导，棱镜或其他特殊装置把倏逝波耦合近谐振腔。当颗粒或待检测的生物分子附着在腔壁时会引起共振模式的转变。倏逝场耦合需要考虑相位匹配等很多因素。这种方法的共振模式的品质因子高达109或更高，可用于单分子检测。但这种方法也有很多缺点限值其发展，需要窄带的可调谐激光成本高，装置易碎难封装等。另一种采用荧光光谱形成稳定的回音壁模式。这种光学谐振腔需要内部具有比如发光量子点或者其他聚合物材料。这些荧光物质可以通过连续波长激光或者LED二极管激光器等在自由空间下激发。这种光学谐振腔不需要窄带可调谐激光，和精密的光学元件耦合倏逝波导腔模式。
基于回音壁模式的激光模式的有源的光学谐振腔具有较高的品质因子，较强的发射谱和较窄的线宽，能够提高传感器的速度和准确性，并应用于生物分子的检测。稳定的激光模式的光学谐振腔在生物分子的检测方面具有重要的应用。这些装置都采用不同的无机或有机染料作为激光的增益介质。激光模式的毛细管对非特定分子的检测已有相关报道，另外采用染料激发的激光模式的薄壁毛细管谐振腔已证实可以用于折射率传感应用。但是激光模式的毛细管对特定分子的检测相关技术较少。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，定向测量特定功能键颗粒，灵敏度高，成本低，测量方法简单，稳定，可重复性好，检测限低，无光漂白。
本发明采用的技术方案如下：
一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，包括以下步骤：
S1.将长度为4-6cm的毛细管表面的聚酰亚胺高分子薄膜去除，得到处理毛细管；
S2.对S1步骤所得处理毛细管采用NaOH溶液以0.1mL/min泵浦1-3分钟，再采用PAH溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，然后采用PSS溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，最后采用PAH溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，得到官能化的毛细管；
优选地，对S1步骤所得处理毛细管采用NaOH溶液以0.1mL/min泵浦2分钟，使毛细管的玻璃内表面带稍微负电荷；再采用PAH溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦5分钟，然后采用PSS溶液和NaCl溶液以0.02mL/min泵浦5分钟，PSS表面带稍微负电荷可以和上面PAH表面正电荷相互吸引形成PAH-PSS薄膜；最后采用PAH溶液和NaCl溶液以0.02mL/min泵浦5分钟，PAH表面带稍微正电荷可以和上面PSS负电荷相互吸引形成PAH-PSS-PAH薄膜，得到官能化的毛细管；
S3.对S2步骤所得官能化的毛细管腔中泵浦NHS溶液、EDC溶液和待测的羧基聚苯乙烯微球溶液的混合溶液，羧基聚苯乙烯微球在NHS和EDC的催化下和PAH表面的-NH发生化学反应，羧基聚苯乙烯微球被PAH膜层定向捕捉到；25-35min后泵浦罗丹明-B溶液；
S4.采用氮气激光激发染料激光，激发500nm的激光激发毛细管内部的罗丹明-B溶液，再采用成像光谱仪记录几何共振模式的光谱，采用离散傅里叶变化对光谱进行分析，得到羧基聚苯乙烯微球浓度。
通过合理选择傅里叶变换的组份的相位并结合它们对应的强度加权，来计算模式的位移。
本发明依据测量原理如下：
光线在厚壁毛细管的界面处发生反射和折射，形成稳定的三角共振模式和星共振模式。三角模式和星模式的自由波谱范围分别是：
其中n1,n2,n3分别表示腔体内待检测的颗粒键合成的薄膜层，功能层和毛细管的玻璃壁的折射率，r1,r2,r3分别表示颗粒键合成的薄膜层，功能层和毛细管的玻璃壁的半径。Ψ表示光线入射功能层的半角宽度，φ表示光线入射玻璃层的半角宽度，α表示光线在玻璃层折射的半角宽度。这里N表示星模式的点数，m表示模式数。相应的共振波长为：
当腔内功能层的折射率和厚度一定，当腔内待测物质的比如颗粒的浓度发生变化时，相应的折射率和厚度都很发生相应的变化，这样共振波长就会发生变化，因此，通过检测共振波长的位移就能检测腔内特定分子或颗粒的浓度。
进一步地，S1步骤中毛细管的内径为125μm，外径为160μm。
进一步地，S2步骤中NaOH溶液的浓度为8-12mol/L；优选地，S2步骤中NaOH溶液的浓度为10mol/L。
进一步地，S2步骤中PAH溶液的浓度为1-3mg/mL，NaCl溶液的浓度为1-4mol/L；优选地，S2步骤中PAH溶液的浓度为2mg/mL，NaCl溶液的浓度为2.5mol/L。
进一步地，S2步骤中PSS溶液的浓度为1-3mg/mL，NaCl溶液的浓度为1-4mol/L；优选地，S2步骤中PSS溶液的浓度为2mg/mL，NaCl溶液的浓度为2.5mol/L。
进一步地，S3步骤中NHS溶液的浓度为250mmol/L，EDC溶液的浓度为250mmol/L，罗丹明-B溶液的浓度为1mmol/L。
进一步地，S3步骤中羧基聚苯乙烯微球为50nm的表面羧基的聚苯乙烯微球。
进一步地，S4步骤中采用的离散傅里叶变化分析几何模式包括三角模式和星模式的位移。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1、本发明的方法，定向测量特定功能键颗粒，灵敏度高，成本低，测量方法简单，稳定，可重复性好；
2、本发明采用共振的激光模式，对于聚苯乙烯微球，激光模式偏移的检测限为9.75nmol/L，这与基于荧光的装置相比是有利的，比回音壁模式的强度高，检测限低，无光漂白；
3、本发明利用激光模式微毛细管的“星形和三角形”模式，并在沉积聚电解质三层和随后的羧基官能化聚苯乙烯微球的酰胺结合后跟踪模式位置，使人们能够在机械和光学鲁棒的装置中监视逐层表面结合；
4、本发明的方法可以扩展到其他表面结合的方案中，可以根据需要应用不同激光波长，因此本发明的方法在许多基于激光的检测方法中具有潜在应用。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为裸毛细管、带PE膜层的毛细管和实施例的毛细管的罗丹明-B激发光谱图；
图2(a)为带PE膜层的毛细管的激发光谱的离散傅里叶变换；(b)为裸毛细管、带PE膜层的毛细管和实施例的毛细管的传感图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，术语“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。
实施例
本发明较佳实施例提供的一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，具体步骤如下：
S1.将内外径分别为125μm和160μm的长度为5cm的毛细管放在通氧气的923K的炉中去掉外面的聚酰亚胺高分子薄膜，得到处理毛细管，两端连接在用来泵浦液体的塑料管上，放在显微镜载物台上；
S2.对S1步骤所得处理毛细管采用10mol/L的NaOH溶液以0.1mL/min泵浦2分钟，使毛细管的玻璃内表面带稍微负电荷；再采用2mg/mL的PAH溶液和2.5mol/L的NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦5分钟，PAH表面带稍微正电荷可以和上面玻璃表面的负电荷相互吸引形成PAH-PSS薄膜；然后采用2mg/mL的PSS溶液和2.5mol/L的NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦5分钟，PSS表面带稍微正电荷可以和上面PAH正电荷相互吸引形成PAH-PSS-PAH薄膜，得到官能化的毛细管；
S3.对S2步骤所得官能化的毛细管腔中泵浦250mmol/L的NHS溶液、250mmol/L的EDC溶液和待测的羧基聚苯乙烯微球溶液的混合溶液，羧基聚苯乙烯微球在NHS和EDC的催化下和PAH表面的-NH发生化学反应，羧基聚苯乙烯微球被PAH膜层定向捕捉到；30min后泵浦1mmol/L的罗丹明-B溶液；
S4.采用氮气激光激发染料激光，激发500nm的激光激发毛细管内部的罗丹明-B溶液，再采用成像光谱仪记录几何共振模式的光谱，采用离散傅里叶变化对光谱进行分析，由于激发模式的共振波长随羧基聚苯乙烯微球溶液浓度的增加而增加，因此得到羧基聚苯乙烯微球浓度。
对于羧基聚苯乙烯微球，测得三角模式共振波长随50nm羧基聚苯乙烯微球的溶液浓度0.05mg/mL,0.5mg/mL,1mg/mL和2mg/mL的增加而分别增加了0.8nm，1.15nm，1.3nm和1.5nm，从而获得三角模式测量聚苯乙烯微球的溶液浓度的灵敏度为15pm/nM。最后采用三角模式位移的标准差的三倍除以灵敏度获得该传感器检测限为9.75nmol/L。与回音壁模式的液体浓度传感的检测限(20nmol/L)相比，本发明的检测限更低。
对比例
分别对裸毛细管和带PE膜层的毛细管泵浦罗丹明-B溶液，再采用氮气激光激发染料激光，激发500nm的激光激发毛细管内部的罗丹明-B溶液，再采用成像光谱仪记录几何共振模式的光谱，采用离散傅里叶变化对光谱进行分析。三角模式发生了蓝移，相反星模式出现相反方向的红移。
对比例得到成像光谱仪记录的裸毛细管、带PE膜层的毛细管和实施例的毛细管的罗丹明-B激发光谱图如图1所示。这三种光谱中包含有复杂的重叠的向不同方向移动的共振模式，表面上追踪模式移动很困难，我们采用高斯函数拟合星模式的峰值位置形成包络线获得三角模式的共振位移。从而得到星模式的红移和三角模式的蓝移。
采用离散傅里叶变化对光谱进行分析，得到毛细管的激发光谱的离散傅里叶变换以及三角模式和星模式的位移情况图，如图2所示。因为PE膜层沉积，星模式移动34pm,因为实施例的毛细管，星模式再次移动81pm；相同情况下，三角模式向相反的方向分别位移0.47nm和0.68nm。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.将长度为4-6cm的毛细管表面的聚酰亚胺高分子薄膜去除，得到处理毛细管；
S2.对S1步骤所得处理毛细管采用NaOH溶液以0.1mL/min泵浦1-3分钟，再采用PAH溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，然后采用PSS溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，最后采用PAH溶液和NaCl溶液的混合溶液以0.02mL/min泵浦4-6分钟，得到官能化的毛细管；
S3.对S2步骤所得官能化的毛细管腔中泵浦NHS溶液、EDC溶液和待测的羧基聚苯乙烯微球溶液的混合溶液，25-35min后泵浦罗丹明-B溶液；
S4.采用氮气激光激发染料激光，再采用成像光谱仪记录几何共振模式的光谱，采用离散傅里叶变化对光谱进行分析，得到羧基聚苯乙烯微球溶液浓度。
2.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S1步骤中毛细管的内径为125μm，外径为160μm。
3.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S2步骤中NaOH溶液的浓度为8-12mol/L。
4.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S2步骤中PAH溶液的浓度为1-3mg/mL，NaCl溶液的浓度为1-4mol/L。
5.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S2步骤中PSS溶液的浓度为1-3mg/mL，NaCl溶液的浓度为1-4mol/L。
6.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S3步骤中NHS溶液的浓度为250mmol/L，EDC溶液的浓度为250mmol/L，罗丹明-B溶液的浓度为1mmol/L。
7.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S3步骤中羧基聚苯乙烯微球为50nm的表面羧基的聚苯乙烯微球。
8.根据权利要求1所述的利用官能化的毛细管测量羧基聚苯乙烯微球浓度的方法，其特征在于：所述S4步骤中采用的离散傅里叶变化分析几何模式包括三角模式和星模式的位移。
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| CN103558134A (zh) * | 2013-11-22 | 2014-02-05 | 国家***天津海水淡化与综合利用研究所 | 聚苯乙烯微球悬浊液浓度快速检测方法 |
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| CN109337675A (zh) * | 2018-09-18 | 2019-02-15 | 杭州莱和生物技术有限公司 | 一种荧光共振能量转移聚苯乙烯荧光微球及其制备方法 |
| CN109789344A (zh) * | 2016-09-30 | 2019-05-21 | 得克萨斯州大学***董事会 | 用于开管离子色谱的官能化聚烯烃毛细管 |
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2019
- 2019-07-23 CN CN201910667462.1A patent/CN110308080B/zh active Active
Patent Citations (6)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Z ZHANG 等: "Functional lasing microcapillaries for surface-specific sensing", 《OPTICS EXPRESS》 * |
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| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110308080B (zh) | 2021-04-06 |
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