一种基于金表面的糖敏智能水凝胶及其合成方法

摘要

本发明涉及一种基于金表面的糖敏智能水凝胶及其合成方法，该水凝胶的制备方法可分为三步：首先将金片进行预处理，使其表面带有-OH；然后先后利用硅烷偶联剂和酸酐在金表面上高效地引入双键；最后以丙烯酰胺基苯硼酸为单体，葡萄糖分子为模板，N,N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，通过紫外光引发聚合在金表面合成水凝胶，反应完后洗去葡萄糖分子，即在金片表面的水凝胶膜上留下大量的葡萄糖分子印迹空穴。本发明中涉及的基于金表面硼酸类葡萄糖敏感型印迹水凝胶未来有望应用于生物信号检测领域，实现人体生理条件下葡萄糖及其他生理指标的动态识别与检测。

权利要求

1.一种基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为包括如下步骤：

(1)金片表面预处理：将金片置于配置好的皮尔试剂中，超声10～60min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗，压缩气体吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4与H2O2的体积比为5～10:3；

(2)氨基化：将一定量的硅烷偶联剂溶解于溶剂中，将处理过的金片置于上述溶液中，惰性气氛，在50～110℃反应5～12h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，压缩气体吹干；其中，硅烷偶联剂的浓度＝2～5mmol/L；

(3)双键化：将一定量的酸酐溶解于溶剂中，将步骤(2)中氨基化后的金片置于上述溶液中，在25～50℃反应5～20h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，压缩气体吹干；其中，酸酐的浓度＝0.5～2mol/L；

(4)聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌5～24h，然后加入N,N'-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂，混合均匀后，取0.1～1uL的混合液均匀地涂在步骤(3)中双键化后的金片上，室温下惰性气氛，置于紫外灯下光引发聚合5～10min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤，将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N,N′-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为10～

50mmol/L、50～100mmol/L、100～200mmol/L、0.2～0.5mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为1～

5:10。

2.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(1)中压缩气体为N2、Ar、He中的一种或几种。

3.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(2)中惰性气氛为N2、Ar、He气氛中的一种。

4.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(1)中金片的直径为6～20mm，金片为金金属片或者是载体上涂布或化学制备有金膜层的材料中的一种。

5.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(2)中硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和N-2-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或几种。

6.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(2)中溶剂为乙醇、甲苯和体积比为1:1的乙醇与蒸馏水的混合液中的一种。

7.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(3)中酸酐为丁二酸酐﹑顺丁烯二酸酐﹑邻苯二甲酸酐和偏苯三酸酐中的一种。

8.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(3)中溶剂为二甲基亚砜﹑N,N′-二甲基甲酰胺﹑二氯甲烷和苯中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(4)中紫外光的波长范围为250～400nm，紫外光的照射强度为1～100W/cm2，紫外光聚合照射用的紫外光源为ZF-1型紫外线分析仪。

10.如权利要求1所述的基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成方法，其特征为所述的步骤(4)中引发剂为二苯基乙二酮﹑2,2-二乙氧基苯乙酮﹑a,a-二甲氧基-a-苯基苯乙酮﹑2,4,

6-三甲基二苯甲酮和2,4-二乙基硫杂蒽酮中的一种或几种。

说明书

一种基于金表面的糖敏智能水凝胶及其合成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于金表面的糖敏智能水凝胶及其合成方法，更确切的说，涉及一种可在人体生理条件下对葡萄糖进行动态识别与检测的敏感水凝胶薄膜的制备，属于生物技术领域。

背景技术

[0002] 作为时代进步的副产物之一，糖尿病的患病率逐年增高，现已经成为一种严重威胁人类健康的流行疾病。然而医学上目前还无法根治糖尿病，只能通过控制病人的血糖水平来推迟并发症的出现。因此，对于糖尿病的控制和治疗来说，研制能够感知体内血糖浓度变化的智能材料是非常有意义的。这样的材料能够实时评估检测病人的血糖浓度，及时反馈病情甚至根据血糖水平自动调整释放药物。

[0003] 智能水凝胶（Intelligent Hydrogels）是一类能够响应外界刺激信号（如温度、pH、溶剂、离子强度、电场、磁场、光、压力和特异分子等）的变化而产生可逆体积相变的高分子材料。由于它同时具备了感应和响应功能，兼有水凝胶的柔韧性和渗透性，因而备受关注。葡萄糖敏感型水凝胶作为智能水凝胶中的一种，其溶胀度随葡萄糖浓度的改变而改变，可动态实时的识别并检测人体生理条件下葡萄糖浓度的变化。现有葡萄糖敏感型材料主要通过三种方式实现响应：含有葡萄糖氧化酶(GOD)、含有伴刀豆球蛋白A(ConA)凝集素、或是含有苯基硼酸结构。其中含苯硼酸基团的水凝胶，其苯硼酸基团会与多羟基化合物葡萄糖在水溶液中形成复合物，体系中若存在能够形成更强的复合物的多羟基化合物，则会与葡萄糖基团发生置换。苯硼酸在溶液中存在电离平衡，不带电荷的苯硼酸与葡萄糖形成的复合物不稳定，而带负电荷的苯硼酸能与葡萄糖形成稳定的复合物。葡萄糖的结合使苯硼酸的电离平衡发生移动，使带负电荷的苯硼酸增多，而不带电荷的苯硼酸减少，由此引发聚合物的水溶性改变，从而实现葡萄糖的实时检测。利用苯硼酸结构进行葡萄糖糖分子的识别，与其他分子识别体相比有其独特的有点。硼酸基团与糖的识别作用是可逆反应，传感器在使用完毕后，可以通过改变溶液的pH值水解生成的硼酸-糖络合物，实现传感器的再生和重复使用。

[0004] 不过此方法制备葡萄糖敏感水凝胶也其缺点：1）由于苯硼酸基团能够与所有具有顺式1,2- 、1,3- 结构的羟基聚合物反应，对葡萄糖的选择性低；2）苯硼酸基水凝胶溶胀速度慢，糖敏感的响应时间长达15h，不符合糖尿病人餐后2h血糖达到峰值的生理要求。

[0005] 分子印迹技术是制备对某一特定分子具有特异性选择的聚合物的过程。利用分子印迹技制备智能型水凝胶，不仅可以提高水凝胶分子对某一特定分子的结合，而且能够根据外界环境的变化控制其对特定分子记忆功能的开关，实现对特定分子的自动识别、结合与释放；同时，基于分子印迹技术的智能水凝胶能够感知外界特定分子变化从而发生溶胀或收缩，实现对特定分子的动态识别。这些特定分子主要的蛋白质、聚肽、核酸、葡萄糖等生物大分子，此技术在药物控释体系、生物传感器和免疫分析等领域有着巨大的应用前景。

[0006] 本发明将分子印迹同硼酸基水凝胶化合物结合起来，发明了一种可用于葡萄糖实时、快速检测葡萄糖的凝胶薄膜。此薄膜兼有对葡萄糖分子特异性吸附和可逆吸附特性，可作为葡萄糖识别单元，对葡萄糖进行动态识别与检测。

发明内容

[0007] 本发明的目的是提供一种实时、快速检测葡萄糖的材料和方法，以解决传统方法成本高、步骤复杂、需要侵入人体等问题。

[0008] 本发明的目的通过以下技术方案实现：本发明是为了解决现有技术所存在的上述技术问题，将硼酸基团敏感型水凝胶和表面分子印迹技术相结合，提供了一种基于金片表面的具有高选择性的，硼酸类葡萄糖分子敏感的智能型分子印迹水凝胶及其制备方法。该方法首先将金片进行预处理，使其表面带有-OH；然后先后利用硅烷偶联剂和酸酐在金表面上高效地引入双键；最后以丙烯酰胺基苯硼酸为单体，葡萄糖分子为模板，N, N′-亚甲基双丙烯酰胺为交联剂，通过紫外光引发聚合在金表面合成水凝胶，反应完后洗去葡萄糖分子，即在金片表面的水凝胶膜上留下大量的葡萄糖分子印迹空穴。

[0009] 本发明的技术方案为：一种基于金表面的糖敏智能水凝胶的合成，包括如下步骤：

[0010] （1）金片表面预处理：将金片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声10 ~ 60 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗，压缩气体吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=5 ~ 10 : 3（V : V）；（2）氨基化：将一定量的硅烷偶联剂溶解于溶剂中，将处理过的金片置于上述溶液中，惰性气氛，在50 ~ 110 ℃反应5 ~ 12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，压缩气体吹干；其中，硅烷偶联剂的浓度= 2 ~ 5 mmol/L；（3）双键化：将一定量的酸酐溶解于溶剂中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在25 ~ 50 ℃反应5 ~ 20 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，压缩气体吹干；其中，酸酐的浓度= 0.5 ~ 2 mol/L；（4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸加入到二甲基亚砜中，室温搅拌5 ~ 24 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和引发剂，混合均匀后，取0.1 ~ 1 uL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下惰性气氛，置于紫外灯下光引发聚合5 ~ 10 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为10 ~ 50、50 ~ 100、100 ~ 200、0.2 ~ 0.5 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为1 ~ 5 : 10。

[0011] 所述的步骤（1）中压缩气体为N2、Ar、He中的一种或几种。

[0012] 所述的步骤（1）中惰性气氛为N2、Ar、He气氛中的一种。

[0013] 所述的步骤（1）中金片的直径为6~20 mm，金片为金金属片或者是载体上涂布或化学制备有金膜层的材料中的一种。

[0014] 所述的步骤（2）中硅烷偶联剂为3-氨丙基三甲氧基硅烷、3-氨丙基三乙氧基硅烷、γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷和N-2-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷中的一种或几种。

[0015] 所述的步骤（2）中溶剂为（乙醇、甲苯和乙醇）：蒸馏水=1:1（V : V=1 : 1）中的一种。

[0016] 所述的步骤（3）中酸酐为丁二酸酐﹑顺丁烯二酸酐﹑邻苯二甲酸酐和偏苯三酸酐中的一种。

[0017] 所述的步骤（3）中溶剂为二甲基亚砜﹑N, N′-二甲基甲酰胺﹑二氯甲烷和苯中的一种或几种。

[0018] 所述的步骤（4）中紫外光的波长范围为250 ~ 400 nm，紫外光的照射强度为1 ~ 100 W/cm2，紫外光聚合照射用的紫外光源为ZF-1型紫外线分析仪。

[0019] 所述的步骤（4）中引发剂为二苯基乙二酮﹑2, 2-二乙氧基苯乙酮﹑a, a-二甲氧基- a -苯基苯乙酮﹑2, 4, 6-三甲基二苯甲酮和2, 4-二乙基硫杂蒽酮中的一种或几种。

[0020] 与现有技术相比，本发明的优点是：（1）所选择的单体丙烯酰胺基苯硼酸在人体生理条件pH 7.4下可以和葡萄糖糖反应生成稳定性较高的硼酸酯。（2）采用分子印迹技术能够有效地提高对葡萄糖分子的特异性。（3）采用的表面分子印迹技术由于是在固相基质的表面上发生聚合反应，可以克服传统方法所具有的缺点，还具有对目标离子选择性高﹑交换阻力低﹑吸附容量高等优点。（4）本文在金片上双键的引入采用“两步法”，成功地避免了直接使用γ-（甲基丙烯酰氧）丙基三甲氧基硅烷在微球表面引入可聚合的双键，提高了双键的引入效率。（5）该产品经过后续研究，合成可专一检测葡萄糖分子的生物传感器，并有望植入人体，实现对葡萄糖的连续监测。

附图说明

[0021] 图1是本发明实施例1的制备流程图。

具体实施方式

[0022] 以下结合实施例对本发明作进一步说明，但本发明并不局限于此。

[0023] 实施例1：（1）金片表面预处理：将金金属片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声15 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗10 min，N2吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=5 : 3（V:V）；（2）氨基化：将3-氨丙基三甲氧基硅烷溶解于甲苯中，将处理过的金片置于上述溶液中，N2气氛，在110 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，硅烷偶联剂的浓度为3 mmol/L；（3）双键化：将一定量的顺丁烯二酸酐溶解于二甲基亚砜中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在25 ℃反应10 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，顺丁烯二酸酐的浓度=1 mol/L（；4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌5 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和二苯基乙二酮，混合均匀后，用微量注射器移取0.5 μL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下N2气氛，置于紫外灯下光引发聚合10 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为30、50、150、0.2 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为3:10。

[0024] 另外，用于对照的金表面硼酸类葡萄糖敏感型非印迹水凝胶的合成，步骤（4）除不加入葡萄糖外，其余操作与金表面硼酸类葡萄糖敏感型非印迹水凝胶的制备相同。

[0025] 另外，用于对照的金表面硼酸类葡萄糖敏感型非印迹水凝胶的合成，步骤（4）除不加入葡萄糖外，其余操作与金表面硼酸类葡萄糖敏感型非印迹水凝胶的制备相同。

[0026] 实施例2：（1）金片表面预处理：将镀金硅片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声30 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗10 min，N2吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=7 : 3（V:V）；（2）氨基化：将一定量的3-氨丙级三乙氧基硅烷溶解于乙醇中，将处理过的金片置于上述溶液中，N2气氛，在78 ℃反应5 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，硅烷偶联剂的浓度为5 mmol/L（；3）双键化：将一定量的丁二酸酐溶解于N, N'-二甲基甲酰胺中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在25 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，丁二酸酐的浓度= 0.5 mol/L；（4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌5 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和2, 4-二乙基硫杂蒽酮，混合均匀后，用微量注射器移取0.25 uL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下N2气氛，置于紫外灯下光引发聚合50 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为20、50、150、0.3 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为1:10。

[0027] 实施例3：（1）金片表面预处理：将镀金硅片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声60 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗10 min，N2吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=4 : 3（V:V）；（2）氨基化：将一定量的γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷溶解于体积比为1:1的乙醇和蒸馏水中，将处理过的金片置于上述溶液中，N2气氛，在50 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，γ-氨丙基甲基二乙氧基硅烷的浓度=4 mmol/L；（3）双键化：将一定量的邻苯二甲酸酐溶解于二氯甲烷中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在35 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，邻苯二甲酸酐的浓度= 0.5 ~ 2 mol/L；（4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌10 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和a，a-二甲氧基-a-苯基苯乙酮，混合均匀后，用微量注射器移取0.25 uL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下N2气氛，置于紫外灯下光引发聚合5 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为20、50、100、0.3 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为1:10。

[0028] 实施例4：（1）金片表面预处理：将金金属片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声20 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗10 min，N2吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=7 : 3（V:V）；（2）氨基化：将一定量的N-2-氨乙基-3-氨丙基甲基二甲氧基硅烷溶解于甲苯中，将处理过的金片置于上述溶液中，N2气氛，在110 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，硅烷偶联剂的浓度= 2.5 mmol/L；（3）双键化：将一定量的偏苯三酸酐溶解于苯中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在50 ℃反应10 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，偏苯三酸酐的浓度= 2 mol/L；（4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌24 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和2, 4, 6-三甲基二苯甲酮，混合均匀后，用微量注射器移取1 uL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下N2气氛，置于紫外灯下光引发聚合5 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N, N'-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为50、80、100、0.2 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为2:10。

[0029] 实施例5：（1）金片表面预处理：将金金属片置于配置好的皮尔试剂（Piranha）中，超声10 min，然后分别用丙酮、乙醇、二次蒸馏水超声清洗10 min，N2吹干；其中，皮尔试剂的配置为浓H2SO4：H2O2=5 : 3（V:V）；（2）氨基化：将一定量的3-氨丙基三乙氧基硅烷溶解于乙醇中，将处理过的金片置于上述溶液中，N2气氛，在78 ℃反应12 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，3-氨丙基三乙氧基硅烷的浓度为5 mmol/L；（3）双键化：将一定量的顺丁烯二酸酐溶解于N, N'--二甲基甲酰胺中，将步骤（2）中所述的金片置于上述溶液中，在25 ℃反应20 h后，依次用无水乙醇和二次蒸馏水将金片冲净，N2吹干；其中，顺丁烯二酸酐的浓度=1 mol/L；（4）聚合：将葡萄糖﹑丙烯酰胺基苯硼酸，加入到二甲基亚砜中，室温搅拌24 h，然后加入N, N'-亚甲基双丙烯酰胺和2, 2-二乙氧基苯乙酮，混合均匀后，用微量注射器移取1 uL的混合液均匀地涂在步骤（3）中所述的金片上，室温下N2气氛，置于紫外灯下光引发聚合10 min，反应完后用二甲基亚砜反复洗涤，洗去未反应物，再用乙酸和甲醇的混合溶液反复洗涤，直到滤液中检测不到葡萄糖，再用超纯水反复洗涤。
将所得凝胶片室温干燥3天，然后真空干燥1天；其中，葡萄糖、丙烯酰胺基苯硼酸、N,N-亚甲基双丙烯酰胺、引发剂的浓度分别为40、80、150、0.5 mmol/L，乙酸和甲醇的体积比为4 : 
10。

[0030] 上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。