一种纳米传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种可同时且实时监测葡萄糖和氧的纳米传感器及其制备方法和应用，所述纳米传感器为具有核壳结构的纳米传感器；其中，所述纳米传感器具有葡萄糖探针、氧探针和参比探针。本发明专利技术提供的纳米传感器可同时实现葡萄糖和氧气的比率型检测，且不相互干扰；并且本发明专利技术提供的纳米传感器分散液在没有沉淀剂的情况下可稳定存在至少半年以上；同时，本发明专利技术提供的传感器尺寸相对较小，可达100nm以下，其具有良好的细胞渗透性和低细胞毒性，可用于细胞内传感并且可实时监测细胞内葡萄糖和氧。

A nanosensor and its preparation method and Application

The invention provides a nanosensor capable of simultaneously and real-time monitoring glucose and oxygen, a preparation method and application thereof. The nanosensor is a nanosensor with a core-shell structure, wherein the nanosensor has a glucose probe, an oxygen probe and a reference probe. The nanosensor provided by the invention can simultaneously realize the ratio detection of glucose and oxygen without mutual interference; and the nanosensor dispersion solution provided by the invention can be stable for at least half a year without precipitator; at the same time, the sensor size provided by the invention is relatively small, and can reach less than 100 nm, which has good cell permeability and low cytotoxicity. Sex can be used for intracellular sensing and real-time monitoring of intracellular glucose and oxygen.

【技术实现步骤摘要】
一种纳米传感器及其制备方法和应用
本专利技术属于传感器
，涉及一种纳米传感器及其制备方法和应用，特别是一种可同时且实时监测葡萄糖和氧的纳米传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
细胞代谢过程是细胞功能、刺激反应和生存的核心。许多复杂的疾病，包括癌症，都与不同水平的代谢途径调节的改变直接相关；细胞代谢的改变被认为是癌症的特征之一。尽管我们对与疾病状态相关的代谢变化的理解有了显著的进展，但对于代谢过程的动力学，尤其是在单细胞水平上动力学的机理却缺乏更进一步的认识。因此，监测细胞内代谢的方法已成为一个亟待解决的科学问题。葡萄糖和氧的浓度是与细胞新陈代谢密切相关的两个重要参数；监测细胞内葡萄糖和氧浓度就成为了监测细胞代谢的有效方法。氧是生物系统中最关键的作用之一，因为几乎所有生物都利用它来产生能量和呼吸。细胞内氧含量与多种细胞活动密切相关，如细胞呼吸、细胞器功能、细胞代谢和癌症进展。氧含量的变化对了解细胞功能，尤其是细胞代谢具有重要意义。迄今为止，对于氧气浓度的测量方法主要分为Winkler滴定法，电化学分析法和光化学发光法。Winkler滴定法又称为化学法或碘量法，国际上在一定范围内将其作为测量氧气浓度的标准方法，我国则作为国标中指定的氧气浓度检测方法，其优点是测量精确度高且重复性好；但是，碘量法只适用于清洁水样，当水中含有其他离子如铁离子、游离态的氯离子和亚硝酸盐时会对测试结果产生干扰；更重要的是，该方法滴定耗时长，使用化学试剂繁多导致程序繁琐，而且会不断的消耗氧气，现场测试的要求无法满足，这些缺陷极大的限制了碘量法的使用。其次是电化学分析即Clark电极法；电化学方法操作简单，可以实现连续测量，并能够满足现场测样，由于存在选择性透过的聚四氟乙烯的薄膜，因此对于样品的要求较低，但是由于其特殊的结构和检测原理，使用前需要预热几分钟以保持电压的稳定；温度和薄膜上的污垢会直接影响Clark电池测试效果，因此需要及时清理电极和薄膜上的污垢，如果使用频繁，最好在一个月内就替换薄膜；且由于电池可以实现连续测量，并且在测试过程中发生化学反应，电极和电解液的损耗不容忽视；在测量之前，需要去不断的校准，一旦使用时间长，需要更换电解液；在使用电化学方法测量氧浓度的同时，消耗氧的缺陷依然没有改善，此缺陷仍旧限制了电化学方法的使用范围。CN1037968A公开了一种多功能组织细胞测氧器，由组织测氧室、细胞测氧室、恒温水池、传感器构成，其将组织测氧室和细胞测氧室设计在一个装置上，可用于生物组织、细胞氧耗的测定，但是其并没有办法兼顾氧气与葡萄糖的同时测定。葡萄糖不仅是维持细胞生命活动的主要能源，而且为细胞增殖提供必需的生物量。体葡萄糖浓度异常可以导致糖尿病，另外糖尿病患者血液中的高葡萄糖浓度引起体内多种物质代谢紊乱，机体的电解质平衡也常因此导致失衡，因此导致了许多糖尿病并发症。因此，检测葡萄糖水平对于监测细胞与氧同等的代谢至关重要。迄今为止，各种类型的葡萄糖传感器被开发出来。其中分为硼酸基传感器与酶基传感器；硼酸基传感器是基于葡萄糖分子与硼酸之间的配位相互作用实现葡萄糖的检测，而酶基传感器是通过葡萄糖氧化酶或葡萄糖脱氢酶与葡萄糖相互作用，检测其氧化还原的产物或电信号，由于酶会在pH2以下和pH8以上迅速失去活性，在超过40℃的温度下不可逆地损坏，还受表面活性剂的影响，湿度不稳定也会严重影响传感器；总之，最常见和最严重的问题是酶传感器的稳定性问题。由于在葡萄糖的消耗过程中同时消耗氧气，许多氧气传感器在葡萄糖氧化酶的帮助下间接用于监测葡萄糖。大多数葡萄糖传感器设计用于检测细胞外葡萄糖的浓度变化，并没有涉及到检测细胞内葡萄糖浓度的方法。CN108088881A公开了一种基于聚合物-碳纳米管无酶葡萄糖传感器的制备方法，其基于双亲性聚合物改性的碳纳米管杂化体为载体，负载金属纳米催化剂粒子，并将其应用于制作葡萄糖传感器的方法。该方法利用双亲性大分子组装驱动力实现大分子与碳纳米管一步共组装，制备出聚合物-碳纳米管杂化体，从而得到稳定性好的无酶葡萄糖传感器，但是其仍旧不能兼顾葡糖糖和氧的测量。现有的大多数葡萄糖和氧传感器都是单独使用的，然而，葡萄糖和氧水平在细胞代谢过程中密切相关，同时且实时监测细胞内葡萄糖及氧水平对研究细胞代谢、诊断癌症、了解细胞功能及某些疾病的发病机制等都具有十分重要的意义，因此，开发一种可同时监测细胞内葡萄糖和氧水平的传感器十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种纳米传感器及其制备方法和应用。本专利技术提供的纳米传感器具有良好的水分散性、低细胞毒性和良好的生物相容性，其对氧和葡萄糖具有很高的灵敏度，响应时间较快，且能够同时不互相干扰地实现氧和葡萄糖的比率型识别；并且其具有好的细胞渗透性，能够应用到细胞内成像与细胞内的氧和葡萄糖的灵敏检测。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种纳米传感器，所述纳米传感器为具有核壳结构的纳米传感器；其中，所述纳米传感器具有葡萄糖探针、氧探针和参比探针。本专利技术选用的纳米传感器上具有葡萄糖探针、氧探针和参比探针，其可同时实现对葡萄糖和氧的监测。该参比探针可以对传感器的局部浓度、生物背景和环境的影响进行校正以实现对葡萄糖和氧的高精度监测；其不响应葡萄糖或氧。优选地，所述葡萄糖探针具有式I结构：该葡萄糖探针为具有蓝色发光性质的硼酸修饰蒽衍生物。优选地，所述氧探针具有式II结构：优选地，所述参比探针具有式III结构：优选地，所述核壳结构为以疏水性聚合物为核，以亲水性聚合物为壳。优选地，所述疏水性聚合物的聚合单体为带有双键结构的疏水性单体，进一步优选苯乙烯和/或甲基丙烯酸甲酯，更进一步优选苯乙烯。优选地，所述亲水性聚合物的聚合单体为带有双键结构的亲水性单体，进一步优选丙烯酰胺。优选地，所述具有核壳结构的纳米传感器以聚苯乙烯为核，以聚丙烯酰胺为壳。优选地，所述葡萄糖探针位于所述纳米传感器的壳结构上。优选地，所述葡萄糖探针以酰胺化学键合的方式接枝在所述壳结构上。优选地，所述氧探针和参比探针均位于所述纳米传感器的核结构上。优选地，所述氧探针和参比探针均以双键加成聚合的形式连接在所述核结构上。优选地，以所述纳米传感器的质量为100％计，所述葡萄糖探针的质量百分含量为0.1-0.2％，例如0.12％、0.14％、0.15％、0.16％、0.18％等。以所述纳米传感器的质量为100％计，所述氧探针的质量百分含量为0.2-0.3％，例如0.22％、0.24％、0.25％、0.26％、0.28％等。以所述纳米传感器的质量为100％计，所述参比探针的质量百分含量为0.05-0.08％，例如0.06％、0.07％等。第二方面，本专利技术提供了根据第一方面所述的纳米传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将疏水性单体、氧探针和参比探针混合，然后加入引发剂进行聚合反应；(2)将亲水性单体的水溶液加入步骤(1)的反应体系中进行交联反应，然后与葡萄糖探针进行酰胺化接枝，得到所述纳米传感器。优选地，所述疏水性单体、氧探针和参比探针的质量比为1000:(2-5):(0.5-1)，例如1000:2:0.5、1000:2.5:0.6、1000:3:0.7、1000:3.5:0.8、1000:4本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种纳米传感器，其特征在于，所述纳米传感器为具有核壳结构的纳米传感器；其中，所述纳米传感器具有葡萄糖探针、氧探针和参比探针。

【技术特征摘要】
1.一种纳米传感器，其特征在于，所述纳米传感器为具有核壳结构的纳米传感器；其中，所述纳米传感器具有葡萄糖探针、氧探针和参比探针。2.根据权利要求1所述的纳米传感器，其特征在于，所述葡萄糖探针具有式I结构：优选地，所述氧探针具有式II结构：优选地，所述参比探针具有式III结构：3.根据权利要求1或2所述的纳米传感器，其特征在于，所述核壳结构为以疏水性聚合物为核，以亲水性聚合物为壳；优选地，所述疏水性聚合物的聚合单体为带有双键结构的疏水性单体，进一步优选苯乙烯和/或甲基丙烯酸甲酯，更进一步优选苯乙烯；优选地，所述亲水性聚合物的聚合单体为带有双键结构的亲水性单体，进一步优选丙烯酰胺；优选地，所述具有核壳结构的纳米传感器以聚苯乙烯为核，以聚丙烯酰胺为壳。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的纳米传感器，其特征在于，所述葡萄糖探针位于所述纳米传感器的壳结构上；优选地，所述葡萄糖探针以酰胺化学键合的方式接枝在所述壳结构上；优选地，所述氧探针和参比探针均位于所述纳米传感器的核结构上；优选地，所述氧探针和参比探针均以双键加成聚合的形式连接在所述核结构上。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的纳米传感器，其特征在于，以所述纳米传感器的质量为100％计，所述葡萄糖探针的质量百分含量为0.1-0.2％；以所述纳米传感器的质量为100％计，所述氧探针的质量百分含量为0.2-0.3％；以所述纳米传感器的质量为100％计，所述参比探针的质量百分含量为0.05-0.08％。6.根据权利要求1-5中的任一项所述的纳米传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)将疏水性单体、氧探针和参比探针混合，然后加入引发剂进行聚合反应；(2)将亲水性单体的水溶液加入步骤(1)的反应体系中进行交联反应，然后与葡萄糖探针进行酰胺化接枝，得到所述纳米传感器。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述疏水性单体、氧探针和参比探针的质量比为1000:(2-5):(0.5-1)；优选地，步骤(1)所述混合在含有乳化剂的双蒸馏水中进行；优选地，在所述双蒸馏水中，所述疏水性单体的浓度为20-25g/L；优选地，所...

【专利技术属性】
技术研发人员：田颜清，邓梦宇，乔远，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44