基于单核增生李斯特菌来源的氮掺杂碳点的制备方法和应用

1.本发明属于荧光传感器领域，涉及氮掺杂碳点，特别是指基于单核增生李斯特菌来源的氮掺杂碳点的制备方法和应用。


背景技术：

2.碘离子(i-)作为人体甲状腺的一种成分，在甲状腺功能发挥中起着重要的生理作用。碘缺乏或过量会导致各种甲状腺疾病。一般情况下，人类碘的摄入主要是通过食物和饮用水。因此，实现食品中i-的简单、快速测定对人体生理和健康具有重要意义。到目前为止，常用的分析i-的方法有色谱、质谱、毛细管电泳和电化学检测等。但这些方法或设备昂贵，或样品制备复杂，在一定程度上限制了这些方法的广泛应用。而另一方面，荧光传感器由于其简单、响应快、选择性好而被广泛用于i-的检测。然而，这些荧光传感器使用的荧光探针通常价格昂贵，制造困难，光稳定性差。因此，需要开发一种经济、方便、亲水的荧光纳米材料来组装高灵敏和选择性好的碘离子传感器。
3.ph值作为一个必不可少的测量参数，在环境监测和食品分析中起着至关重要的作用。例如，测量水的ph值可以迅速评估水的污染程度；测定果蔬的ph值可以准确判断其成熟度。因此，ph值的准确测定具有重要意义。近十年来，玻璃膜电极（gmes）由于操作方便、不受干扰而被广泛应用于ph值检测。然而，gmes存在一些缺点，如机械脆性和温度依赖性响应。此外，由于测量小体积样品困难，gmes在食品、组织和体内分析中的实际应用受到一定程度限制。因此，迫切需要研制一种价廉、稳定、体积小的ph检测器。与gmes相比，荧光ph传感器具有良好的光学稳定性及在低浓度样品测定方面的优势，可以作为一种有潜力的补充策略。近年来，有机荧光小分子因其结构可调在ph传感中广泛应用。然而，其化学稳定性和光稳定性在实际应用中还有待提高。因此，有必要开发一种稳定的、光学性能优良的荧光传感材料用于ph检测。
4.碳点（carbon dots, cds）是一种新型荧光材料，具有良好的光学稳定性、生物相容性和易于表面功能化的特性，适合制备i-和ph检测的荧光传感器。例如，he等人报道了cds制造的荧光“关-开”传感器用于测定湖水和牛尿中的hg
2+
和i-。shi等人发表了一种基于碳点的细胞内ph检测比值荧光传感器。研究表明，氮元素掺杂可以使cds具有新的结构和光致发光性质。氮掺杂碳点（ncds）已被应用于荧光传感器领域。到目前为止，各种化学和自然来源被用作合成cds/ncds的前体。细菌是大量且低成本的前体，由细菌制备的cds/ncds已被用于抗菌和生物成像领域。然而，利用单核细胞李斯特菌来源的ncds作为荧光探针选择性和视觉检测i-和ph的研究目前尚未见报道。


技术实现要素：

5.为解决上述技术问题，本发明提出一种基于单核增生李斯特菌来源的氮掺杂碳点的制备方法和应用，利用单核增生李斯特菌(listeria monocytogenes, lm)和尿素通过溶剂热方法合成典型荧光纳米材料(标记为ncds-lm)。如图1所示，将获得的ncds-lm作为探
针，制作用于i-和ph检测的荧光传感器。一方面，利用荧光“打开”传感器选择性、灵敏地检测i-。同时，ncds-lm具有良好的ph敏感性，可成功应用于大范围的ph检测。值得注意的是，我们还制备了一种便携的基于ncds-lm的测试纸，用于视觉和半定量检测i-和ph。该ncds-lm基传感器成本低、方便、快速和可视化，在实际样品的i-和ph分析中具有吸引力。
6.本发明的技术方案是这样实现的：基于单核增生李斯特菌来源的氮掺杂碳点，所述氮掺杂碳点为利用单核增生李斯特菌和尿素经溶剂热法合成。
7.上述的氮掺杂碳点的制备方法，步骤如下：（1）培养单核增生李斯特菌并收集10
8 ~ 109cfu/ml的菌体细胞，经离心洗涤得到细胞沉淀；（2）向步骤（1）的细胞沉淀中加入尿素，于n, n-二甲基乙酰胺中重新悬浮，然后转移至不锈钢高压釜中进行反应，得褐色反应液；（3）将步骤（2）的褐色反应液离心取上清，经滤膜过滤后经硅胶柱层析纯化得基于单核增生李斯特菌来源的氮掺杂碳点。
8.所述步骤（1）中单核增生李斯特菌的保藏编号为atcc 15313；其培养方法为：将单核增生李斯特菌在30 ml tsb培养基中摇匀，37℃培养过夜。
9.所述步骤（1）中离心的条件为4000
ꢀ×ꢀ
g离心3 min，尿素的添加量为5 ~ 10 g。
10.所述步骤（2）中反应条件为180℃反应10 h；菌体细胞数目为10
8 ~ 109cfu/ml时尿素的添加量为5 ~ 10g；步骤（3）中离心的条件为8000
×
g离心10 min，滤膜的直径为0.22 μm。
11.上述的氮掺杂碳点在荧光检测i-中的应用，步骤为：配制ncds-lm稀溶液（0.5 ~ 1.0mg/ml），加入等体积8 μmol/l的hg
2+
原液，然后加入等体积经预处理的待检测溶液，室温孵育10 min后，于λex = 490 nm的荧光光谱下进行检测。
12.所述待测溶液的预处理工艺为：向2ml待测样品中分别加入0.5 ml 1.0 mol/l乙酸锌溶液和0.5 ml 0.3 mol/l亚铁氰化钾，混合充分后，8000
ꢀ×ꢀ
g离心10 min，上清液经0.22 μm滤器过滤，得滤液即为待检测溶液。
13.上述的氮掺杂碳点在荧光检测ph中的应用，步骤为：将ncds-lm溶液与待检测溶液混合，所得混合物在室温下静置10min，于λex = 490 nm时，进行荧光测量。
14.上述的氮掺杂碳点制备的可视化i-检测试纸，步骤为：将含有ncds-lm稀溶液、hg
2+
溶液和不同浓度i-溶液的混合溶液100 μl滴在直径0.6 cm的专用试纸上晾干，在365 nm波长的照射下观察试纸，并在相同的光照条件下用智能手机拍摄相应的荧光照片，制作荧光试纸，作为参照。
15.上述的氮掺杂碳点制备的可视化ph检测试纸，步骤为：将ncds-lm的稀溶液和不同ph值的br缓冲溶液混合后，在试纸上滴100 μl，在室温下晾干，在365 nm波长的照射下观察试纸，并在相同的光照条件下用智能手机拍摄相应的荧光照片，制作荧光试纸，作为参照。
16.本发明具有以下有益效果：1、本技术以单核增生李斯特菌和尿素为前体，n, n-二甲基乙酰胺为反应介质，采用溶剂热法合成了ncds-lm，得到的ncds-lm是均匀分散的球形纳米颗粒，平均直径为2.4 nm，没有晶格结构。ncds-lm的xrd谱图显示出一个围绕22.8
°
(2θ)的宽峰，与非晶碳相相关
(图2c)。利用傅立叶变换红外光谱(ftir)揭示了ncds-lm表面的功能。如图2d所示，3408 cm-1
附近的宽频带代表了强烈的n-h和o-h伸缩振动。1261 cm-1
、1504 cm-1
、1629 cm-1
、2935 cm-1
处的尖峰分别对应c-o-c伸缩振动、n-h弯曲振动、c=c伸缩振动和c-h伸缩振动。1668 cm-1
、1398 cm-1
和1190 cm-1
处的尖峰表明存在不对称的c=o伸缩振动、c-n伸缩振动和c-o伸缩振动。所有的数据都清楚地表明-oh，-cooh和-nh2位于制备的ncds-lm的表面。ncds-lm具有良好的抗光漂白性能。而且，即使nacl浓度达到1 mol/l，荧光强度也只有轻微的变化，说明ncds-lm具有较高的光稳定性。
17.2、在ncds-lm作为荧光传感器检测i-时，发现ncds-lm-hg
2+
复合物可以选择性地检测i-。如图5a, b所示，hg
2+ (8 μmol/l)可与ncds-lm配合形成ncds-lm-hg
2+
复合物，使ncds-lm的荧光猝灭。由于i-与hg
2+
有很高的亲和力，可以从ncds-lm表面去除hg
2+
，在ncds-lm-hg
2+
复合物溶液中加入i-后，ncds-lm的荧光强度明显恢复。猝灭恢复过程稳定，维持时间在600 s以上(图5c)。在ncds-lm-hg
2+
混合物中，随着i-浓度的增加，fl强度逐渐增加。fl效率与i-浓度呈线性关系，浓度范围为0.1 ~ 1000 μmol/l。该传感器具有较高的灵敏度，lod低至20 nmol/l。
18.3、ncds-lm基荧光传感器的荧光强度与i-浓度呈良好的线性关系，检出限为20 nmol/l。该传感器已成功应用于饮用水和牛奶样品中i-的检测。同时，ncds-lm基传感器可用于ph检测，h
+
通过动态猝灭过程猝灭了ncds-lm的荧光，线性范围从1.81到11.82，实现了较宽的ph检测范围。此外，设计了基于ncds-lm的荧光试纸，用于裸眼比色法半定量检测i-和ph。本研究表明，基于ncds-lm的荧光传感器在环境监测和食品分析方面具有很大的应用潜力。
19.4、本发明还进一步制作了基于ncds-lm的测试纸片，用于i-和ph的视觉和半定量检测，表明该传感器在i-和ph的现场传感方面具有巨大的应用潜力。此外，该传感器在实际样品中对i-和ph具有高度的选择性传感能力。与以往报道的方法相比，基于ncds-lm的荧光传感器具有速度快、稳定性好、抗干扰性能好等优点。这项工作为在各个领域，特别是环境和食品分析中检测痕量i-和大范围ph值提供了巨大的可能性。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为基于ncds-lm的i-和ph检测荧光传感器示意图。
22.图2为ncds-lm的表征图；tem图(a)、尺寸分布直方图(b)、xrd谱图(c)和ftir谱图(d)。
23.图3为ncds-lm的表征图；(a) ncds-lm的xps测量谱；(b-d) ncds-lm的c1s、n1s和o1s的高分辨率xps谱图。
24.图4(a) ncds-lm的紫外可见吸收光谱和荧光光谱；插图照片是在可见光(左)和紫外灯(365 nm，右)下的ncds-lm溶液；(b)合成的ncds-lm在不同激发波长下的荧光光谱；(c) ncds-lm在490 nm氙灯连续照射下的光稳定性；(d)离子强度对ncds-lm 荧光强度的影响；
(e) ncds-lm连续10个酸碱循环的可逆荧光响应曲线(λem= 550 nm)。
25.图5(a)用于i-分析的基于ncds-lm的荧光传感器示意图；(b) ncds-lm, ncds-lm-hg
2+
和ncds-lm-hg
2+-i-混合物在水溶液中的荧光发射光谱；(c) ncds-lm, ncds-lm-hg
2+
和 ncds-lm-hg
2+-i-溶液的荧光稳定性。
26.图6(a)基于ncds-lm的传感器对i-和其他干扰物的选择性；(b)基于ncds-lm的传感器对i-(蓝色条)和其他干扰离子(红色条)的干扰实验；(c)添加i-和其他干扰物后，ncds-lm基传感器在365 nm紫外灯下的照片。
27.图7(a)荧光传感器在不同浓度i-存在下的3d 荧光发射光谱；(b) (f-f0)/f0与i-浓度的线性关系。(c)基于ncds-lm的试纸照片：只有ncds-lm(对照)，ncds-lm-hg
2+ (0)，以及含有ncds-lm-hg
2+
和不同浓度i-的混合溶液在紫外线下(365 nm)。
28.图8(a)荧光传感器在不同ph值下的3d 荧光发射光谱；(b) 荧光强度与不同ph值的线性关系；(c)不同ph值的ncds-lm测试纸在紫外线(365 nm)照射下的照片。
29.图9(a) ncds-lm在不同ph值(λex=490 nm，λem=550 nm)下的荧光衰减曲线；(b)不同ph值下的紫外-可见吸收光谱。
具体实施方式
30.下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
31.实施例1：ncds-lm的合成单核增生李斯特菌在30 ml tsb培养基中摇匀，37℃培养过夜。收集109cfu/ml细胞，4000
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g离心3 min，超纯水洗涤3次。然后，将得到的细胞沉淀加入10 g尿素，然后在20 ml n, n-二甲基乙酰胺中重新悬浮。将溶液均匀混合，转移到150 ml特氟龙内衬不锈钢高压釜中，180℃反应10 h，得到的深褐色溶液在8000
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g离心10 min，上清液通过0.22 μm滤膜过滤。然后，以甲醇和乙酸乙酯为洗脱剂，用硅胶柱层析法对产物进行纯化。收集的洗脱液用真空旋转蒸发器干燥，用水稀释，4℃保存备用。
32.ncds-lm的表征：采用透射电子显微镜(tem)、x射线粉末衍射(xrd)、傅里叶变换红外(ftir)和x射线光电子能谱(xps)对制备的ncds-lm进行了分析。如图2a, b所示，得到的ncds-lm是均匀分散的球形纳米颗粒，平均直径为2.4 nm，没有晶格结构。ncds-lm的xrd谱图显示出一个围绕22.8
°
(2θ)的宽峰，与非晶碳相相关(图2c)。利用傅立叶变换红外光谱(ftir)揭示了ncds-lm表面的功能。如图2d所示，3408 cm-1
附近的宽频带代表了强烈的n-h和o-h伸缩振动。1261 cm-1
、1504 cm-1
、1629 cm-1
、2935 cm-1
处的尖峰分别对应c-o-c伸缩振动、n-h弯曲振动、c=c伸缩振动和c-h伸缩振动。1668 cm-1
、1398 cm-1
和1190 cm-1
处的尖峰表明存在不对称的c=o伸缩振动、c-n伸缩振动和c-o伸缩振动。所有的数据都清楚地表明-oh，-cooh和-nh2位于制备的ncds-lm的表面。
33.xps进一步验证了合成的ncds-lm的元素组成和官能团。如图3a所示，在ncds-lm的xps测量谱中，可以得到元素c、n和o分别在285 ev、400 ev和531 ev的峰值。ncds-lm的元素比例为碳的77.01%，氮的7.98%，氧的15.01%。然后，c1s, n1s和o1s谱被解卷积成不同的峰。
在图3b中，c1s谱可以解卷积为三个峰，分别位于284.8、286.1和288.3 ev，分别代表c-c/c=c、c-o/c-n和c=o/c=n组。n1s光谱在398.8，399.8，400.3 ev处分为三个峰，分别对应于c-n(吡啶-n)， c=n(吡咯-n)，n
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h(石墨-n)键(图3c)。o1s峰由以531.2 ev和532.4 ev为中心的两个组分组成，表明在ncds-lm表面存在c=o和c-oh /c-o-c基团(图3d)。xps结果证实了ncds-lm表面存在含氮和含氧基团，支持ftir谱图的结果。
34.ncds-lm的光学特性：我们通过测量紫外可见光谱和荧光光谱，进一步探讨了ncds-lm的光学特性。从图4a中可以看出，ncds-lm在221 nm处有一个很强的紫外-可见吸收峰，这是由于c=c键的π-π*跃迁所致。当λex为490 nm时，在550 nm处有较强的荧光发射峰。如图4a的插图所示，合成的ncds-lm在自然光下呈现透明的棕色，在365 nm紫外灯下发出明亮的黄绿色荧光。然后测量ncds-lm在不同激发波长下的fl发射光谱(图4b)。当激发波长从460 nm增加到520 nm时，荧光发射峰发生红移。荧光强度先增大后减小，在490 nm激发波长处达到最大值。制备的ncds-lm的激发依赖的fl发射和强度行为可能与表面不同的发射位点或ncds-lm的尺寸有关。
35.ncds-lm的稳定性：考察了辐照时间、离子强度和ph值对ncds-lm的影响。如图4c所示，在照射超过40 min后，荧光强度变化可以忽略不计，说明ncds-lm具有良好的抗光漂白性能。而且，即使nacl浓度达到1 mol/l，荧光强度也只有轻微的变化，说明ncds-lm具有较高的光稳定性(图4d)。此外，为了测试ph值的可逆性，将ncds-lm悬浮液的ph值在5 ~ 10之间交替变化，循环10次。ncds-lm的可逆荧光响应曲线如图4e所示，ncds-lm表现出良好的ph敏感性和可逆性。结果表明，ncds-lm作为i-和ph传感器是可行的。
36.实施例2：ncds-lm的合成单核增生李斯特菌在30 ml tsb培养基中摇匀，37℃培养过夜。收集5
×
108cfu/ml细胞，4000
ꢀ×ꢀ
g离心3 min，超纯水洗涤3次。然后，将得到的细胞沉淀加入7.5g尿素，然后在30 ml n, n-二甲基乙酰胺中重新悬浮。将溶液均匀混合，转移到150 ml特氟龙内衬不锈钢高压釜中，180℃反应10 h，得到的深褐色溶液在8000
ꢀ×ꢀ
g离心10 min，上清液通过0.22 μm滤膜过滤。然后，以甲醇和乙酸乙酯为洗脱剂，用硅胶柱层析法对产物进行纯化。收集的洗脱液用真空旋转蒸发器干燥，用水稀释，4℃保存备用。
37.实施例3：ncds-lm的合成单核增生李斯特菌在30 ml tsb培养基中摇匀，37℃培养过夜。收集108cfu/ml细胞，4000
ꢀ×ꢀ
g离心3 min，超纯水洗涤3次。然后，将得到的细胞沉淀加入5g尿素，然后在30 ml n, n-二甲基乙酰胺中重新悬浮。将溶液均匀混合，转移到150 ml特氟龙内衬不锈钢高压釜中，180℃反应10 h，得到的深褐色溶液在8000
ꢀ×ꢀ
g离心10 min，上清液通过0.22 μm滤膜过滤。然后，以甲醇和乙酸乙酯为洗脱剂，用硅胶柱层析法对产物进行纯化。收集的洗脱液用真空旋转蒸发器干燥，用水稀释，4℃保存备用。
38.应用例1：荧光传感器检测i-我们进一步证明，ncds-lm-hg
2+
复合物可以选择性地检测i-。如图5a, b所示，hg
2+ (8 μmol/l)可与ncds-lm（0.5 ~ 1.0mg/ml）配合形成ncds-lm-hg
2+
复合物，使ncds-lm的荧光猝灭。由于i-与hg
2+
有很高的亲和力，可以从ncds-lm表面去除hg
2+
，在ncds-lm-hg
2+
复合物溶液中加入i-后，ncds-lm的荧光强度明显恢复。猝灭恢复过程稳定，维持时间在600 s以上(图5c)。
39.为了评价ncds-lm传感器对i-的选择性，研究了20 μmol/l浓度下不同电位干扰物质的响应。如图6a所示，i-可以显著恢复ncds-lm-hg
2+
系统的荧光。相比之下，干扰对荧光恢复的影响很小，说明该荧光传感器对i-有很好的选择性。干扰实验中，分别在ncds-lm-hg
2+
溶液中单独加入20 μmol/l i-(红色条，图6b)和20 μmol/l i-与上述干扰离子的混合物(蓝色条，图6b)，评价其恢复效果。结果表明，其他共存离子的影响可以忽略不计。如图6c所示，在365 nm紫外灯下，在传感系统中加入i-后，荧光探针呈现出明显的颜色变化，由浅蓝色变为绿黄色。而干扰离子则没有这种现象。这些结果证实了所开发的荧光传感器对混合物中的i-有很好的选择性。
40.为了进一步了解基于ncds-lm的传感器对i-的灵敏度，进行了fl滴定。如图7a所示，在ncds-lm-hg
2+
混合物中，随着i-的增加，fl强度逐渐增加。fl效率与i-浓度呈线性关系，浓度范围为0.1 ~ 1000 μmol/l。拟合的线性方程在0.1 ~ 10 μmol/l i-浓度时为y = 0.3054x + 0.9563 (r
2 = 0.9966)，在10 ~ 1000 μmol/l i-时为y = 3.2621x
ꢀ‑
1.9724 (r
2 = 0.9741)，其中x为i-浓度的log10, y为fl效率(f-f0)/f0(图7b)。此外，根据3σ/斜率(其中σ为标准差)计算出了ncds-lm传感器的低检出限(lod)，lod低至20 nmol/l，表明该传感器具有较高的灵敏度。
41.采用基于ncds-lm的fl测试纸对i-进行半定量可视化检测。将含有ncds-lm-hg
2+
溶液和不同浓度i
‑ (0.1 μmol/l ~ 1000 μmol/l)的混合溶液分别滴在测试纸上，在自然光和紫外灯下用肉眼观察fl亮度和颜色的变化。如图7c所示，在365 nm的紫外光照射下，随着i-浓度的增加，试纸的颜色逐渐由浅蓝色变为亮绿色。这些结果证明了基于ncds-lm fl传感器的i-半定量可视化的可行性。与之前报道的方法相比，开发的fl传感器显示出相当或更好的分析性能。此外，本方法相对简单，且具有成本效益。值得注意的是，使用基于ncds-lm的测试纸片，很容易用肉眼半定量地检测i-浓度。
42.应用例2：饮用水和牛奶样品的应用鉴于所取得的优异的检测性能，我们进一步分析了预处理后的饮用水和牛奶样品中的i-浓度。未添加i-的水和牛奶样品用该方法检测不出，表明i-浓度低于本方法的lod (20 nmol/l)。饮用水和牛奶样品中加入了不同浓度的i-进行分析。加标回收率范围为90.9% ~ 115.5%，rsd为1.3% ~ 4.7%(表1)，表明该传感器具有较好的精度和精密度。饮用水(56.37 μmol/l, 492.00 μmol/l)与离子色谱法(56.50 μmol/l, 428.2 μmol/l)测定结果基本一致，表明该传感器具有良好的可靠性。结果表明，该方法在环境和食品分析中具有良好的应用前景。
43.表1实际样品中i-检测
应用例3：荧光传感器检测ph值众所周知，cds对ph值很敏感。事实上，研究报道cds对ph值的敏感性取决于其表面的官能团。而且，ncds-lm有望具有与cds相同的ph传感特性。本文研究了ph值在1.81-11.82范围内对合成的ncds-lm的影响。随着ph从1.81增加到11.82，fl强度依次增大(图8a)。如图8b所示，fl强度与ph范围(1.81 ~ 6.80和7.24 ~ 11.82)呈良好的线性关系，相关系数r
2 =0.9610, r
2 =0.9836。此外，在自然光和紫外灯的照射下，测试纸上不同ph值下的ncds-lm fl图像显示光致发光颜色由深蓝色变为亮黄绿色(图8c)，肉眼很容易识别。结果表明，ncds-lm可作为敏感的ph传感器。
44.根据以往的报道，h
+
可以通过改变cds的表面状态来猝灭cds的荧光。这里，为了更好地理解ncds-lm独特的ph依赖现象，我们检测了不同ph值下的荧光衰减曲线和uv-vis吸收光谱。图9a和表2描述了ncds-lm在不同ph值下的拟合发光衰减数据。随着ph值(1.81-11.82)的增加，ncds-lm的荧光寿命τ从5.1 ns增加到7.68 ns，表明荧光猝灭可能是动态的。此外，可以清楚地看到，当ph从1.81增加到11.82时，ncds-lm的吸收光谱没有显著变化，没有形成基态配合物(图9b)。这一结果表明，h
+
通过动态猝灭过程猝灭了ncds-lm的荧光。
45.表2ncds-lm在不同ph下的荧光寿命(λex =490 nm，λem =550 nm)
lm的荧光传感器具有速度快、稳定性好、抗干扰性能好等优点。这项工作为在各个领域，特别是环境和食品分析中检测痕量i-和大范围ph值提供了巨大的可能性。
47.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。