本發(fā)明涉及生物傳感，具體涉及一種丙酮檢測(cè)用可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器及智能傳感平臺(tái)。

背景技術(shù)：

1、丙酮作為呼出氣體中一種重要的揮發(fā)性有機(jī)化合物(voc)，近年來(lái)在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的關(guān)注。丙酮作為疾病生物標(biāo)志物的潛力為早期疾病診斷和預(yù)防提供了新的可能性。因此，檢測(cè)呼出氣體中丙酮的濃度已成為評(píng)估個(gè)體健康狀況、監(jiān)測(cè)疾病進(jìn)展和評(píng)估治療效果的有前景的方法。

2、傳統(tǒng)的丙酮檢測(cè)方法，如氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法和分光光度法，雖然在準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)良好，但由于操作繁瑣和儀器要求昂貴，在實(shí)際應(yīng)用中受到限制。相比之下，熒光探針因其操作簡(jiǎn)單、靈敏度高、可視化等特點(diǎn)而受到廣泛關(guān)注，在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，將熒光探針固定在紙基質(zhì)上以構(gòu)建熒光試紙，并結(jié)合智能傳感平臺(tái)，可以提供一種便攜式、靈敏且低成本的丙酮檢測(cè)方法，避免了使用復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)室儀器和耗時(shí)的樣品預(yù)處理過(guò)程，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)、原位和視覺(jué)檢測(cè)。然而，熒光探針附著在紙基質(zhì)上經(jīng)常導(dǎo)致探針?lè)植疾痪头禽椛滠S遷的增加，這反過(guò)來(lái)又會(huì)導(dǎo)致熒光信號(hào)的變化和熒光淬滅，最終降低檢測(cè)的靈敏度。

3、相比之下，水凝膠因其獨(dú)特的半濕結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的透明度和機(jī)械強(qiáng)度而成為熒光探針的理想載體。在水凝膠制備過(guò)程中，熒光探針可以均勻地結(jié)合到其網(wǎng)絡(luò)中。此外，水凝膠提供了一種多孔的半濕結(jié)構(gòu)，在檢測(cè)中保持了與液體環(huán)境中相當(dāng)?shù)母哌x擇性和靈敏度。然而，目前的熒光水凝膠納米傳感器仍然存在以下技術(shù)難題：(1)?水凝膠基質(zhì)在短波長(zhǎng)激發(fā)下會(huì)發(fā)生自熒光，從而影響熒光檢測(cè)信號(hào)；(2)?可回收性是創(chuàng)建理想傳感器的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，而大多數(shù)熒光傳感器依賴于不可逆的化學(xué)反應(yīng)。因此，化學(xué)反應(yīng)的這種不可逆性阻礙了熒光探針的可回收性，從而提高了基于水凝膠的熒光傳感器的成本。

4、最近，基于上轉(zhuǎn)換納米粒子(ucnps)的納米探針因其獨(dú)特的光學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。具體來(lái)說(shuō)，上轉(zhuǎn)換納米探針將長(zhǎng)波近紅外光轉(zhuǎn)換為可見(jiàn)光或近紅外光，從而實(shí)現(xiàn)了高靈敏度的光學(xué)檢測(cè)，同時(shí)將背景干擾降至最低。此外，上轉(zhuǎn)換納米探針還表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，在各種實(shí)驗(yàn)條件下保持穩(wěn)定的發(fā)光性能。這些優(yōu)點(diǎn)使上轉(zhuǎn)換納米探針有望在生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感和治療中得到廣泛應(yīng)用。因此，利用ucnp構(gòu)建用于檢測(cè)丙酮的發(fā)光水凝膠傳感器是緩解水凝膠基質(zhì)引起的自發(fā)熒光問(wèn)題的有效方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題在于提供一種丙酮檢測(cè)用可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，通過(guò)將特異性識(shí)別丙酮的上轉(zhuǎn)換納米探針嵌入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實(shí)現(xiàn)了丙酮的高靈敏度、可逆及雙模態(tài)（比色和發(fā)光）檢測(cè)。上轉(zhuǎn)換納米探針由作為識(shí)別單元的硫酸羥胺、作為能量受體的百里酚藍(lán)鈉鹽(tb)和作為能量供體的ucnps組成，其獨(dú)特的傳感機(jī)制能夠在丙酮存在下觸發(fā)顏色變化和發(fā)光淬滅。此外，本發(fā)明還利用3d打印技術(shù)構(gòu)建了便攜式智能傳感平臺(tái)，集成了激光器、比色皿和智能手機(jī)，便于快速現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。該平臺(tái)不僅克服了傳統(tǒng)傳感器在靈敏度和可逆性方面的限制，還展現(xiàn)了對(duì)人體呼出丙酮的準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)能力，在糖尿病等疾病的早期診斷和健康管理中具有廣闊應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題采用以下的技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

3、本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述水凝膠基質(zhì)為聚丙烯酰胺(pam)水凝膠，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括ucnps、硫酸羥胺和tb。

4、在本發(fā)明中，通過(guò)ucnps的長(zhǎng)波長(zhǎng)激發(fā)避免水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，硫酸羥胺作為丙酮的特異性識(shí)別單元，tb作為能量受體，利用tb質(zhì)子化和去質(zhì)子化的可逆反應(yīng)實(shí)現(xiàn)丙酮的可逆、無(wú)背景以及雙模態(tài)(比色和發(fā)光)檢測(cè)。

5、本發(fā)明的第二個(gè)目的是提供一種智能傳感平臺(tái)，包括所述可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器。

6、本發(fā)明的第三個(gè)目的是提供所述可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器或所述智能傳感平臺(tái)在丙酮檢測(cè)中的應(yīng)用。

7、本發(fā)明的有益效果是：

8、1、本發(fā)明通過(guò)采用硫酸羥胺作為丙酮的特定識(shí)別單元，構(gòu)建了一種可逆的發(fā)光水凝膠探針以用于丙酮檢測(cè)。這意味著該探針可以在多次檢測(cè)中重復(fù)使用，從而降低了單次檢測(cè)的成本。相較于一些需要消耗性材料或只能單次使用的檢測(cè)方法，可逆檢測(cè)發(fā)光探針提供了一種更為經(jīng)濟(jì)高效的選擇，特別是在需要大量樣本檢測(cè)或長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢(shì)尤為明顯。

9、2、本發(fā)明通過(guò)采用近紅外光作為激發(fā)光源有效地避免了水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，從而提高了檢測(cè)精度。

10、3、本發(fā)明利用水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和半濕特性緩解了熒光探針因分布不均和負(fù)載量低而造成的靈敏度差的問(wèn)題。

11、4、本發(fā)明構(gòu)建的智能傳感平臺(tái)能夠靈敏且快速地進(jìn)行丙酮的現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)。

技術(shù)特征：

1.一種可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述水凝膠納米傳感器由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述水凝膠基質(zhì)為pam水凝膠，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括ucnps、硫酸羥胺和tb。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述pam水凝膠是由n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺和丙烯酰胺通過(guò)自由基誘導(dǎo)聚合反應(yīng)合成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps是以稀土氯化物、oa、ode、nh4f和naoh為原料通過(guò)溶劑熱法制備得到；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps具有核殼結(jié)構(gòu)，以β-nayf4:yb,er為核，nayf4為殼。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于，所述ucnps的制備方法包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps的制備過(guò)程處在保護(hù)性氣氛中。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps通過(guò)酸處理和表面修飾聚丙烯酸的方式實(shí)現(xiàn)由疏水性到親水性的轉(zhuǎn)變。

8.一種智能傳感平臺(tái)，包括權(quán)利要求1~7任意一項(xiàng)所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能傳感平臺(tái)，其特征在于：所述智能傳感平臺(tái)還包括980?nm激光器、比色皿、智能手機(jī)和3d打印配件。

10.權(quán)利要求1~7任意一項(xiàng)所述的可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器或權(quán)利要求8~9任意一項(xiàng)所述的智能傳感平臺(tái)在丙酮檢測(cè)中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開(kāi)了一種丙酮檢測(cè)用可逆無(wú)背景水凝膠納米傳感器及智能傳感平臺(tái)，涉及生物傳感技術(shù)領(lǐng)域，所述水凝膠納米傳感器由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)、硫酸羥胺和百里酚藍(lán)(TB)；本發(fā)明通過(guò)采用硫酸羥胺作為丙酮的特定識(shí)別單元，構(gòu)建了一種可逆的發(fā)光水凝膠探針以用于丙酮檢測(cè)，該探針可以在多次檢測(cè)中重復(fù)使用，降低了單次檢測(cè)的成本；并且通過(guò)采用近紅外光作為激發(fā)光源有效地避免了水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，提高了檢測(cè)精度。

技術(shù)研發(fā)人員：郭文帥,朱佳偉
受保護(hù)的技術(shù)使用者：淮北師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9