一种仿生响应浸润性表面及其制备方法和应用

本发明属于重金属离子检测领域，具体涉及一种仿生响应浸润性表面及其制备方法和应用。

背景技术：

1、持续的重金属离子污染严重影响着人类健康和社会发展。重金属离子由于毒性和不可降解性，在水生生物和农作物中积累，并在食物链的富集下进入人体。因此，重金属离子的检测在环境监测、废物管理、发育生物学、临床毒理学等领域都有着广泛的应用前景。重金属离子的检测方法有电感耦合等离子体质谱法、原子吸收/发射光谱法、高效液相色谱法和原子荧光光谱法等。虽然这些检测精度较高，但存在样品前处理复杂、依赖昂贵设备、操作要求专业、现场检测不适宜等问题。因此，开发一种操作简单的重金属离子检测方法，对于降低检测门槛、提高检测的普适性具有重要意义。

2、浸润性是一种物质表面结构与液体的相互作用，作为自然界中常见特性之一，其在油水分离、农业灌溉、微流体操作和生物医学检测领域引起了人们的极大兴趣。受自然界动植物表面结构的启发，可以制备得到具有特殊浸润性的功能表面。目前，特殊浸润性的功能表面在重金属离子领域的检测研究和应用迄今少有报道。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有技术存在的问题，本发明提供一种可用于重金属离子检测的仿生响应浸润性表面，本发明的仿生响应浸润性表面，制备工艺简单，操作门槛底，解决现有重金属离子检测设备昂贵，操作专业性较高，不适用于现场检测等的问题。此外，本发明还将仿生响应浸润性表面应用于重金属离子检测中。

2、本发明还提所述仿生响应浸润性表面的制备方法和应用。

3、技术方案：为了实现上述目的，本发明所述一种仿生响应浸润性表面，所述仿生响应浸润性表面由重金属离子响应的水凝胶和具有重叠拱形微腔结构的平行微通道组成；所述响应性水凝胶由高分子材料与交联剂、光引发剂混合并修饰适配体得到；所述平行微通道为复刻猪笼草口周表面拱形微腔结构。

4、其中，所述响应性水凝胶由高分子材料与交联剂混合并通过适配体修饰得到，在重金属离子的刺激下能使得水凝胶收缩；所述微通道由复刻猪笼草口周表面拱形微腔结构得到，能够实现液体的定向运输。

5、其中，所述高分子材料选用丙烯酰胺、聚乙二醇双丙烯酸酯或者丙烯酸钠等含有酰胺基或羧基的材料中的任意一种或多种；所述交联剂选用n,n-亚甲基双丙烯酰胺、丙烯酸、丙烯酸羟丙酯或者甲基丙烯酸中的一种或多种；所述的适配体选用含有atcg四种碱基和氨基的重金属离子核酸适配体中的一种。

6、作为优选，所述适配体选用铅离子核酸适配体、镉离子核酸适配体或者汞离子核酸适配体。

7、本发明所述仿生响应浸润性表面的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

8、(1)仿生响应浸润性表面模具的制备：利用3d建模构建具有仿猪笼草口周表面结构的平行微通道表面模型，用3d打印技术得到平行微通道表面模型的树脂材料模具；将硅胶聚合物与固化剂混合搅拌制成胶液，将胶液倒入树脂模具中加热固化后起模获得仿生响应浸润性表面的阴模模具；

9、(2)仿生响应浸润性表面的制备：将高分子材料、交联剂和光引发剂混合制成聚体溶液，将聚体溶液倒入阴模模具中经过紫外光固化，起模后与适配体的结合得到仿生响应浸润性表面。

10、其中，步骤(1)中3d建模的平行微通道尺寸为微腔长和微腔宽比值是3-2:1-1.5。

11、作为优选，所述步骤(1)中3d建模的平行微通道尺寸为微腔长和微腔宽比值是2:1。

12、其中，步骤(1)中硅胶聚合物与固化剂以10:1混合，成胶液在65-85℃的温度环境下倒入树脂材料的模板中，并在烘箱中过夜。

13、其中，步骤(2)中所述的高分子材料浓度为1wt％-30wt％；交联剂的浓度为0.3wt％-5wt％；光引发剂浓度为1-2vol％；适配体的浓度为0-300mm。

14、其中，步骤(2)中高分子材料与适配体的结合方式为edc/nhs偶联反应或者采用3’,5’-酰胺基修饰的适配体直接与高分子材料混合。

15、作为优选，所述高分子材料修饰上适配体的方式可以是edc/nhs偶联反应，即高分子材料在10ml含有0.1m的naoh和10％temed的水解液中水解1h，清洗后在10ml含有350mgedc和550mgnhs的活化液中活化30min；高分子材料与适配体结合的方式还可以是采用3’,5’-酰胺基修饰的适配体直接与高分子材料混合。

16、进一步地，所述拱形微腔结构的长为5mm，宽为2.5mm；通道形状选择平行通道；高分子材料选择20％的丙烯酰胺和5％的聚乙二醇二丙烯酸酯；交联剂选用n,n-亚甲基双丙烯酰胺，其中丙烯酰胺：n,n-亚甲基双丙烯酰胺的质量比为14:1；适配体选用100mm的汞离子适配体；高分子材料修饰适配体的方法选用edc/nhs偶联反应。

17、作为优选，所述适配体为5’-nh2–(ch2)6–ttctttcttccccttgtttgtt–(ch2)6–nh2-3’。

18、本发明所述的仿生响应浸润性表面在重金属离子可视化检测中的应用。

19、其中，所述应用为：将仿生响应浸润性表面放入含重金属离子的溶液中，重金属离子与适配体连接使仿生响应浸润性表面体积减小，通道尺寸收缩，不同浓度的重金属离子处理仿生浸润性表面其收缩程度不同，在通道上滴加液体，液体定向运输距离也不同，以液体运输距离长短实现重金属离子的可视化检测。

20、进一步地，所述检测过程为：将两个仿生响应浸润性表面分别放入10mm、ph为7.0的tris-hno3溶液和加入重金属离子的tris-hno3溶液中于25℃下反应10min，仿生响应浸润性表面的通道尺寸发生变化。在通道上滴加液滴，液滴会自发地沿着通道定向运输。且重金属离子浓度越高，通道尺寸越小，液体定向运输的距离越长。

21、其中，重金属离子浓度为0-5×105nm。

22、本发明将仿生响应浸润性表面与重金属离子检测结合，引入水凝胶、适配体等材料，通过重金属离子刺激，以明显的液体定向运输距离检测重金属离子。本发明制备的仿生响应浸润性表面以较低的操作门槛，解决现有检测方法设备昂贵，操作专业性较高，不适用于现场检测等的问题。

23、本发明中通过模仿猪笼草口周表面的拱形微腔结构，能够实现液体的定向运输，且液体定向运输距离与微腔结构尺寸有关。如图1所示，本发明利用水凝胶制备具有拱形微腔结构的仿生浸润性表面，通过水解、活化后将适配体修饰在水凝胶上得到仿生响应浸润性表面。在重金属离子的刺激下，修饰有适配体的水凝胶体积收缩，表现为仿生响应浸润性表面通道尺寸减小，液体在通道上的运输距离发生相应的变化，实现对重金属离子的可视化检测。

24、本发明通过在结构上模仿猪笼草口周表面的结构，制备仿生浸润性表面，能实现液体定向运输，同时加入适配体，适配体能够与重金属离子特异性结合，可以实现重金属离子检测功能。本发明将仿生浸润性表面通过水解、活化，并与适配体相连后得到仿生响应浸润性表面，该表面与重金属离子结合时，表面上的通道收缩，液体定向运输距离会变长，实现了重金属离子的可视化检测，并且不需要借助大型设备或者分析仪器，操作门槛低，普适性高，可以现场检测。

25、本发明构建的仿生响应浸润性表面能实现可视化重金属离子检测；拱形微腔结构能实现液体定向运输；液体定向运输与适配体结合进行重金属离子检测。

26、本发明通过特定拱形微腔结构和适配体结构，拱形微腔结构能实现液体定向运输，适配体能与重金属离子特异性结合。当重金属离子与仿生响应浸润性表面接触时，该表面会收缩，表面上的通道尺寸会减小。通道尺寸变小之后，液体运输距离会增加。所以，以仿生响应浸润性表面液体定向运输距离的长短，实现重金属离子的可视化检测。

27、有益效果：与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

28、(1)相对于传统重金属离子检测方法，本发明制备的仿生响应浸润性表面结构简单、易获得，基于液体在不同尺寸表面上定向运输距离不同，可实现重金属离子的可视化检测。

29、(2)本发明制备的仿生响应浸润性表面制作工艺简单，结合重金属离子特异性响应的适配体，在重金属离子的刺激下表面结构尺寸发生明显变化。本发明首次将表面的液体定向运输能力应用于重金属离子检测领域。

30、(3)采用本发明方法制备得到的仿生响应浸润性表面检测门槛较低，不需要复杂的仪器设备，可实现对重金属离子的快速、便捷检测。