一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备

1.本发明属于液晶传感技术领域，尤其是涉及一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备。


背景技术：

2.液晶是一种在一定温度范围呈现出不同于固态、液态和气态的特殊物质态，它的形成以分子长程取向与液体的流动性结合为前提，因此液晶兼有液相和固相的特性，既具有各向异性的晶体所特有的双折射性，又具有液体的流动性。20世纪60年代以来，液晶作为一种具有特殊物理性质的材料，作为媒介信号构建了液晶生物传感器，通过液晶对偏振光的双折射性，通过监测液晶分子取向变化所引起的相关光学信号，实现对生物信号的迅速检测，且迅速发展成为一种新型生物传感技术。根据液晶基底的不同，液晶生物传感器可分为三类，固相型液晶生物传感器，液晶-液相型生物传感器和液滴型生物传感器，每种类型都有各自的特色以及优缺点，利用不同物质对液晶分子不同的诱导作用力，使液晶分子取向发生变化，在这个过程中液晶分子的双折射率改变，通过偏光显微镜进行观察，利用显微镜图像的直观性，进行简单准确的判断，从而达到检测目的。液晶生物传感器的飞速发展，已经实现了对抗原、抗体、蛋白质、酶、核酸、微生物等物质的高效检测，在医学，农业，食品安全，国土安全，生物加工，环境和工业监测等行业中发挥了重要的作用。
3.但是，目前液晶生物传感器所使用的液晶基底大部分为液晶-水相界面以及液晶微滴，这几种基底的制备过程均比较复杂，且界面的光学信号不太稳定，需要一定的技术方法才可以实现，并且这种液晶基底无法重复利用，因此开发一种光学信号稳定的，可以实现重复使用的微米级液晶薄膜具有重要的意义。
4.光子晶体(photonic crystal,pc)是由不同介电常数的材料在空间上按照一定的周期顺序排列所形成的有序结构材料，最早由yablonovitch和john在1987年独立提出。光子晶体的周期有序结构使其对特定波长的光具有强烈的衍射作用，当衍射波长处于可见光范围时，可直接观察到明亮的颜色，即光子晶体的结构色。光子晶体在光学上一般遵循bragg衍射定律：mλ＝2ndsinθ。其中m为衍射级数，λ为衍射波长，n为体系的平均有效折射率，d为相邻颗粒之间的距离，θ为光线的入射角。由此定律可知，通过调控光子晶体的结构(改变n与d)使衍射波长位于可见光波段，可将化学信号转换成裸眼可视的光学信号。反蛋白石光子晶体结构是以sio2，ps，pmma等蛋白石为模板，在其空隙中填充高折射率的材料或其前体材料，填充完毕后，通过锻烧、化学腐蚀、溶剂溶解等方法除去初始的sio2或聚合物模板。原有的模板除去后得到规则排列的球形的空气孔，其空洞中可以填充与模板折射率不同的物质，以调节反蛋白石光子晶体的光子禁带，从而实现对光学信号的调控。因此，我们认为将反蛋白石光子晶体与液晶分子结合，可以通过液晶分子有序度改变而引起的折射率的变化实现对光子晶体光学信号的调控。
5.本研究中，拟采用液晶聚合物作为反蛋白石基底模板，利用反蛋白石孔洞制备微米级别的液晶薄膜，液晶分子的有序性在核酸适配体的诱导下发生改变，从而引起折射率
的改变，并通过光子晶体的光学信号传递出来，从而实现光学信号的调控，成功地解决了液晶基底不稳定、不可重复使用的缺点。同时利用光子晶体的光学信号，实现对目标分子可卡因的定量检测，为今后液晶生物传感器的发展提供了新的研究思路与研究方法。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明旨在提出一种可以用于液晶生物传感器的光学信号稳定的，可重复利用的液晶薄膜的制备方法，以发展一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜用于可卡因的检测，解决了传统的液晶传感器液晶基底制备困难且不易定量的缺点。
7.为达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：
8.一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，所述液晶聚合物薄膜的制备包括如下步骤：
9.(1)单分散sio2纳米颗粒的合成及纯化
10.a.sio2种子合成
11.在250ml三口瓶中加入80ml无水乙醇，然后加入10～25ml浓度为1～5％的氨水，以200-400rpm的速度搅拌混合均匀，待缓慢加热到40～60℃后，再加入2～5ml的正硅酸乙酯(teos)，继续反应12～24h，最后得到淡蓝色的半透明sio2种子溶液；
12.b.sio2种子的生长
13.在250ml锥形瓶中加入120ml无水乙醇和10～25ml质量分数为20～50％浓氨水，在转速为300～500rpm搅拌下混合均匀，然后滴加0.5～1.5ml sio2种子，保持55℃恒温油浴及搅拌速度不变。10min后用注射泵向锥形瓶中缓慢滴加体积比为1：(2～5)的teos/乙醇溶液，速度为0.1ml/min；通入时间为3～7h，之后，反应12h得到单分散sio2纳米颗粒分散液；
14.c.单分散sio2纳米颗粒的纯化，具体的纯化步骤如下：
15.首先将步骤(1)合成的sio2颗粒分散液在11000rpm下离心5～20min，去掉上清液，然后加入超纯水，超声、离心至离心管底部sio2粒子呈现出明亮的彩虹色，取sio2分散液于烘箱中干燥，待质量不再变化，称量干燥后sio2的质量；
16.(2)蛋白石光子晶体模板的制备
17.首先将载玻片用新配的piranha溶液在60～80℃下浸泡3～4h，然后分别用大量的超纯水清洗2～3次，乙醇冲洗1～3次，用氮气吹干，放入90～120℃烘箱中烘干2～3h后备用；将两块洗净的载玻片放入盛有质量体积比为0.4-1.4％的sio2分散液中，在50-65℃的烘箱中垂直沉积6-12h，沉积好的蛋白石光子晶体模板在50-80℃烘箱中干燥2-4h后备用。
18.(3)液晶聚合物薄膜预聚液的制备
19.液晶聚合物薄膜预聚液由以下成分组成：质量体积比为15-20％的4-[(6-丙烯酰氧基)己氧基]-4'-氰基联苯，质量体积比为15-20％的丙烯酸，质量体积比为5-10％的1,6-己二醇二丙烯酸酯，质量体积比为0.5-3％的2-羟基-2-甲基苯丙酮，加入50-250μl二氯甲烷溶解，待溶剂挥发之后，得到液晶聚合物薄膜预聚液。
[0020]
(5)液晶聚合物成型模具的制作以及液晶聚合物薄膜的制备
[0021]
液晶聚合物成型模具由一块上述洗净的载玻片、一块沉积有蛋白石光子晶体的载玻片和50μm封口膜空腔夹条组成。先将封口膜空腔贴在其中的一块玻片上，将另一片玻片轻轻盖在上面，并用小燕尾夹将两块玻片固定，然后再将加热后的液晶聚合物预聚液注入
两块玻片间隙中，在320～380nm的紫外灯下聚合15～30min，即得液晶聚合物蛋白石薄膜材料；
[0022]
用镊子将液晶聚合物蛋白石薄膜材料从玻璃上剥离下来，将液晶聚合物蛋白石薄膜加入10～30ml含有质量体积比为1％～2％的hf溶液中刻蚀5～15min，将刻蚀后的液晶聚合物反蛋白石薄膜烘干备用。之后，将5cb液晶分子渗入到制备好的液晶聚合物反蛋白石薄膜中，清洗掉多余的5cb分子，即得到液晶聚合物薄膜材料，干燥后切割成尺寸大小相同的小片备用。
[0023]
进一步的，步骤(3)中piranha溶液为浓硫酸和双氧水的混合溶液，其中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3。
[0024]
进一步的，步骤(5)中加热的温度为50-70℃。
[0025]
进一步的，步骤(5)中液晶聚合物薄膜切割的尺寸为(0.8～1.2)cm*(0.8～1.2)cm。
[0026]
一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜的光学性能，所述应用的具体步骤如下：
[0027]
首先将切割好的尺寸均一的液晶聚合物薄膜至于10mm磷酸缓冲液(ph＝7.0)中放置在37℃反应30-60min后，室温下记录其反射光谱及光学图像；然后将其取出放置到100μm适配体溶液中，在37℃反应30-60min后，室温下记录其反射光谱及光学图像。
[0028]
一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，所述应用的具体步骤如下：
[0029]
将核酸适配体诱导的液晶聚合物薄膜至于不同浓度的可卡因溶液中，在37℃反应30-60min，室温分别记录其反射光谱，并计算峰强度下降值。
[0030]
相对于现有技术，本发明所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备具有以下优势：
[0031]
(1)本发明所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜，与传统的液晶薄膜基底相比，该薄膜利用反蛋白石光子晶体模板进行液晶基底薄膜的制备，具有稳定的光学信号，具有可循环利用的能力，具有很好的响应性能以及稳定性能；
[0032]
(2)本发明所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜用于可卡因的检测，在实际样品中最低检测浓度为1nm，低于人体中可卡因检测的要求，满足了在实际样品中对检测灵敏度的要求。
[0033]
(3)本发明所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，由于将反蛋白石光子晶体的光学信号作为数据分析的基础，因此可以实现稳定的光学信号的来源，并且对目标物质实现定量检测，同是一种可视化的检测方法。
[0034]
(4)本发明所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，由于该液晶聚合物薄膜的稳定性以及可重复利用性，因此可以成为一种潜在的广泛应用的液晶薄膜基底材料，为液晶生物传感器以后开发针对其他目标的检测开辟了一条新的道路。
附图说明
[0035]
构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
[0036]
图1为本发明液晶聚合物薄膜材料光学信号调控的示意图。
[0037]
图2为本发明实施例所述的液晶聚合物反蛋白石薄膜电镜表征图。
[0038]
其中a为液晶聚合物反蛋白石结构表面，b为液晶聚合物反蛋白石结构截面
[0039]
图3为本发明所述的液晶聚合物薄膜的光学信号调控响应图。
[0040]
图4为本发明所述的液晶聚合物薄膜对不同浓度可卡因的响应。
[0041]
其中a是液晶聚合物薄膜对不同浓度可卡因响应的反射峰，b是反射峰的降低值与浓度的对数值的线性关系图。
[0042]
图5为本发明所述的液晶聚合物薄膜对可卡因的特异性。
[0043]
图6为本发明所述的液晶聚合物薄膜对尿液样品中可卡因的响应。
具体实施方式
[0044]
下面结合实施例及附图来详细说明本发明。
[0045]
一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，液晶聚合物薄膜材料的制备包括如下步骤：
[0046]
(1)单分散sio2纳米颗粒的合成及纯化
[0047]
a.sio2种子合成
[0048]
在250ml三口瓶中加入80ml无水乙醇，然后加入10～25ml浓度为1～5％的氨水，以200-400rpm的速度搅拌混合均匀，待缓慢加热到40～60℃后，再加入2～5ml的正硅酸乙酯(teos)，继续反应12～24h，最后得到淡蓝色的半透明sio2种子溶液；
[0049]
b.sio2种子的生长
[0050]
在250ml锥形瓶中加入120ml无水乙醇和10～25ml质量分数为20～50％浓氨水，在转速为300～500rpm搅拌下混合均匀，然后滴加0.5～1.5ml sio2种子，保持55℃恒温油浴及搅拌速度不变。10min后用注射泵向锥形瓶中缓慢滴加体积比为1：(2～5)的teos/乙醇溶液，速度为0.1ml/min；通入时间为3～7h，之后再反应12h得到单分散sio2纳米颗粒分散液；
[0051]
c.单分散sio2纳米颗粒的纯化，具体的纯化步骤如下：
[0052]
首先将步骤(1)合成的sio2颗粒分散液在11000rpm下离心5～20min，去掉上清液，然后加入超纯水，超声、离心至离心管底部sio2粒子呈现出明亮的彩虹色，取sio2分散液于烘箱中干燥，待质量不再变化，称量干燥后sio2的质量；
[0053]
(2)蛋白石光子晶体模板的制备
[0054]
首先将载玻片用新配的piranha溶液在60～80℃下浸泡3～4h，然后分别用大量的超纯水清洗2～3次，乙醇冲洗1～3次，用氮气吹干，放入90～120℃烘箱中烘干2～3h后备用；将两块洗净的载玻片放入盛有质量体积比为0.4-1.4w％的sio2分散液中，在50-65℃的烘箱中垂直沉积6-12h，沉积好的蛋白石光子晶体模板在50-80℃烘箱中干燥2-4h后备用。
[0055]
(3)液晶聚合物薄膜预聚液的制备
[0056]
液晶聚合物薄膜预聚液由以下成分组成：质量体积比为15-20％的4-[(6-丙烯酰氧基)己氧基]-4'-氰基联苯，质量体积比为15-20％的丙烯酸，质量体积比为5-10％的1,6-己二醇二丙烯酸酯，质量体积比为0.5-3％的2-羟基-2-甲基苯丙酮，加入50-250μl二氯甲烷溶解，待溶剂挥发之后，得到液晶聚合物薄膜预聚液。
[0057]
(5)液晶聚合物成型模具的制作以及液晶聚合物薄膜的制备
[0058]
液晶聚合物成型模具由一块上述洗净的载玻片、一块沉积有蛋白石光子晶体的载
玻片和50μm封口膜空腔夹条组成。先将封口膜空腔贴在其中的一块玻片上，将另一片玻片轻轻盖在上面，并用小燕尾夹将两块玻片固定，然后再将加热后的液晶聚合物预聚液注入两块玻片间隙中，在320～380nm的紫外灯下聚合15～30min，即得液晶聚合物蛋白石薄膜材料；
[0059]
用镊子将液晶聚合物蛋白石薄膜材料从玻璃上剥离下来，将液晶聚合物蛋白石薄膜加入10～30ml含有质量体积比为1％～2％的hf溶液中刻蚀5～15min，将刻蚀后的液晶聚合物反蛋白石薄膜烘干备用。之后，将5cb液晶分子渗入到制备好的液晶聚合物反蛋白石薄膜中，清洗掉多余的5cb分子，即得到液晶聚合物薄膜材料，干燥后切割成尺寸大小相同的小片备用。
[0060]
(6)一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，所述应用的具体步骤如下：
[0061]
为了研究适配体对液晶聚合物薄膜光学信号的调控作用，对液晶聚合物薄膜在适配体响应前后的光学及荧光图像进行表征。首先将切割好的尺寸均一的液晶聚合物薄膜至于10mm磷酸缓冲液(ph＝7.0)中，在37℃放置30-60min，然后将其取出，室温下记录其反射光谱及光学、荧光图像。之后将其放置到100μm荧光标记的适配体溶液中，在37℃反应30-60min后，室温下记录其反射光谱及光学、荧光图像。如图3所示，在适配体对液晶聚合物薄膜中的液晶分子进行诱导之后，反射峰有明显的增加，且聚合物薄膜由白色变为绿色，同时在荧光图像也可以看出，诱导之后的液晶聚合物薄膜具有明显的荧光信号。
[0062]
(7)一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，所述应用的具体步骤如下：
[0063]
首先将切割好的尺寸均一的液晶聚合物薄膜至于100μm适配体溶液中，在37℃反应30-60min后，将其取出后，然后将诱导后的液晶聚合物薄膜至于不同浓度的可卡因溶液中，在37℃反应30-60min，室温分别记录其反射光谱，并计算峰强度下降值。如图4所示，液晶聚合物薄膜的反射峰强度随着可卡因浓度的增加而降低，且反射峰的降低值与浓度的对数值在100pm到10μm之间有一个较好的线性关系。
[0064]
(8)一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，所述应用的具体步骤如下：
[0065]
由于实际体系中对可卡因有较多的干扰物质，因此选择性对可卡因的检测十分重要。本发明分别考察了多巴胺、茶碱、托品酮三种化学结构与可卡因相似的物质，以及葡萄糖、尿素、尿酸、l-抗坏血酸以及甘氨酸对可卡因的干扰。如图5所示，液晶聚合物薄膜对这些干扰物质均不产生反射峰的降低，仅有可卡因存在时，反射峰才会发生较大的强度降低。说明以液晶聚合物薄膜为基础的液晶生物传感器对可卡因具有非常好的选择性，这种选择性归因于核酸适配体对可卡因的特异性识别。
[0066]
(9)一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜对尿液样品中可卡因的检测，所述应用的具体步骤如下：
[0067]
首先将尿液用0.22μm的滤膜过滤，然后用10mm pb缓冲液(ph＝7.0)稀释10倍，然后利用标准加入法配置不同浓度的可卡因尿液样品溶液。将切割好的尺寸均一的液晶聚合物薄膜至于100μm适配体溶液中，在37℃反应30-60min后，将其取出后，然后将诱导后的液晶聚合物薄膜至于不同浓度的可卡因尿液样品溶液中，在37℃反应30-60min，室温分别记
录其反射光谱，并计算峰强度下降值。如图6所示，液晶聚合物薄膜的反射峰强度随着可卡因浓度的增加而降低，且最低检测浓度为1nm。
[0068]
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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于:所述液晶聚合物薄膜的制备包括如下步骤：(1)单分散sio2纳米颗粒的合成a.sio2种子合成在250ml三口瓶中加入80ml无水乙醇，然后加入10～25ml浓度为1～5％的氨水，以200-400rpm的速度搅拌混合均匀，待缓慢加热到40～60℃后，再加入2～5ml的正硅酸乙酯(teos)，继续反应12～24h，最后得到淡蓝色的半透明sio2种子溶液；b.sio2种子的生长在250ml锥形瓶中加入120ml无水乙醇和10～25ml质量分数为20～50％浓氨水，在转速为300～500rpm搅拌下混合均匀，然后滴加0.5～1.5ml sio2种子，保持55℃恒温油浴及搅拌速度不变。10min后用注射泵向锥形瓶中缓慢滴加体积比为1：(2～5)的teos/乙醇溶液，速度为0.1ml/min；通入时间为3～7h，之后反应12h得到单分散sio2纳米颗粒分散液；(2)单分散sio2纳米颗粒的纯化，具体的纯化步骤如下：首先将步骤(1)合成的sio2颗粒分散液在11000rpm下离心5～20min，去掉上清液，然后加入超纯水，超声、离心至离心管底部sio2粒子呈现出明亮的彩虹色，取sio2分散液于烘箱中干燥，待质量不再变化，称量干燥后sio2的质量；(3)蛋白石光子晶体模板的制备首先将载玻片用新配的piranha溶液在60～80℃下浸泡3～4h，然后分别用大量的超纯水清洗2～3次，乙醇冲洗1～3次，用氮气吹干，放入90～120℃烘箱中烘干2～3h后备用；将两块洗净的载玻片放入盛有质量体积比为0.4-1.4％的sio2分散液中，在50-65℃的烘箱中垂直沉积6-12h，沉积好的蛋白石光子晶体模板在50-80℃烘箱中干燥2-4h后备用。(4)液晶聚合物薄膜预聚液的制备液晶聚合物薄膜预聚液由以下成分组成：质量体积比为15-20％的4-[(6-丙烯酰氧基)己氧基]-4'-氰基联苯，质量体积比为15-20％的丙烯酸，质量体积比为5-10％的1,6-己二醇二丙烯酸酯，质量体积比为0.5-3％的2-羟基-2-甲基苯丙酮，加入50-250μl二氯甲烷溶解，待溶剂挥发之后，得到液晶聚合物薄膜预聚液。(5)液晶聚合物反蛋白石薄膜的制作以及液晶聚合物薄膜的制备液晶聚合物成型模具由一块上述洗净的载玻片、一块沉积有蛋白石光子晶体的载玻片和50μm封口膜空腔夹条组成。先将封口膜空腔贴在其中的一块玻片上，将另一片玻片轻轻盖在上面，并用小燕尾夹将两块玻片固定，然后再将加热后的液晶聚合物预聚液注入两块玻片间隙中，在320～380nm的紫外灯下聚合15～30min，即得液晶聚合物蛋白石薄膜材料；用镊子将液晶聚合物蛋白石薄膜材料从玻璃上剥离下来，将液晶聚合物蛋白石薄膜加入10～30ml含有质量体积比为1％～2％的hf溶液中刻蚀5～15min，将刻蚀后的液晶聚合物反蛋白石薄膜烘干备用。之后，将5cb液晶分子渗入到制备好的液晶聚合物反蛋白石薄膜中，清洗掉多余的5cb分子，即得到液晶聚合物薄膜材料，干燥后切割成尺寸大小相同的小片备用。2.根据权利要求1所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于：步骤(3)中piranha溶液为浓硫酸和双氧水的混合溶液，其中浓硫酸与双氧水的体积比为7:3。
3.根据权利要求1所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于：步骤(5)中加热的温度为50-70℃。4.根据权利要求1所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于：步骤(5)中液晶聚合物薄膜切割的尺寸为(1.0～1.5)mm*(1.0～1.5)cm。5.根据权利要求1所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于：所述应用的具体步骤如下：首先将切割好的尺寸均一的液晶聚合物薄膜至于10mm磷酸缓冲液(ph＝7.0)中放置在37℃反应30-60min，然后将其取出放置到100μm核酸适配体溶液中，在37℃反应30-60min，室温下记录其反射光谱及光学图像。6.根据权利要求1所述的一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，其特征在于：所述应用的具体步骤如下：将液晶聚合物薄膜至于不同浓度的核酸适配体溶液中，在37℃反应30-60min，室温分别记录其反射光谱。

技术总结
本发明提供了一种光学信号可调控的液晶聚合物薄膜传感基底的制备，并且通过对可卡因分子的检测，探究该传感基底的响应性能。该薄膜的制备包括不同粒径二氧化硅颗粒的合成及纯化、液晶聚合物预聚液的制备，反蛋白石结构成型模板以及聚合物薄膜的制备，制备的液晶聚合物薄膜用于生物液晶传感器的制备，以及对可卡因分子的检测。本发明所述的液晶聚合物薄膜材料的光学信号可以利用核酸适配体调节液晶分子的有序度实现，成功地解决了传统液晶传感器光学信号不稳定，液晶薄膜难以重复利用，不能对目标分子进行定量分析的缺点，对可卡因的检测表现出很好的选择性，对可卡因的最低检测浓度为100pM，满足了实际应用中对检测灵敏度的要求。的要求。的要求。


技术研发人员：吴朝阳 王世红 朱安苹 陈千山
受保护的技术使用者：湖南大学
技术研发日：2022.05.23
技术公布日：2023/9/22