一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器

1.本发明涉及化学材料技术领域，特别是一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器。


背景技术：

2.带有各种检测器的气相色谱和液相色谱(gc,lc)广泛应用于有机化合物的鉴定和定量分析中，具有高准确度和灵敏度。然而，实验室常用的气相色谱和液相色谱仪器比较贵、耗材也比较贵、分析成本相对较高并且需要专门培训的人员来操作，比较难以用于现场分析和在线实时分析。
3.有机碳总量分析仪(toc)把有机物氧化成二氧化碳然后用红外线检测器检测生成的二氧化碳从而定量分析出有机碳总含量。然而，有机碳总量分析仪不能区分或定量分析各种化合物。
4.化学耗氧量法用重铬酸盐在汞催化剂的帮助下氧化有机化合物通过记录重铬酸根颜色变化来定量分析有机化合物总浓度。然而，化学耗氧量法也不能区分或定量分析各种化合物。
5.石英微天平已经被检测和定量分析化学品和生物化合物。但是，通常它是通过分子结合或吸附来检测分析单个化合物。譬如，基于石英微天平的传感器被用于检测洛伐他汀(lov)，商品化的红曲米含有洛伐他汀，用于降低高膽固醇血症病人的血液胆固醇水平和减少心血管疾病风险。最近eren等人的研究成功地在石英微天平晶片金表面制备了洛伐他汀分子印迹的纳米膜聚(2-甲基丙烯酸羟乙酯-甲基丙烯酰基氨基天冬氨酸)[p(hema
–
maasp)]。他们评估了其检测洛伐他汀的灵敏度、重复性和线性，并与一些昂贵的常规检测方法作了对比，包括高效液相色谱、气质联用和双波长紫外分光光度法。对于0.5nm洛伐他汀他们发现最佳检测可以在ph值等于10的条件下达到。在ph值高的碱性条件下，纳米膜上的带负电荷的羧基与洛伐他汀分子上的羟基有相互作用。石英微天平信号随着洛伐他汀浓度增加而线性升高。然而，通常石英微天平是通过分子结合或吸附来检测分析单个化合物，而非分离并分析多种化合物。
[0006]
参考文献：
[0007]
[1]eren t.,atar n.,lutfi yola m.,and karimi-maleh h.(2015).a sensitive molecularly imprinted polymer based quartz crystal microbalance nanosensor for selective determination of lovastatin in red yeast rice一种灵敏的基于石英微天平和分子印迹聚合物的纳米传感器用于选择性检测红曲米中的洛伐他汀，food chemistry食品化学,185,430
–
436.


技术实现要素：

[0008]
为解决现有技术中对于有机化合物、无机化合物和生物大分子检测所存在的缺陷和问题，提供一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器。
[0009]
本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：本发明的一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器，其聚合物薄膜附着在石英晶片表面，用于顺序式检测和定量分析多种有机化合物、无机化合物或者生物化合物，其传感器物理和化学特征在于：
[0010]
i.石英晶片上镀有惰性金或银薄底层，表层为聚合物传感器薄膜层；
[0011]
ii.聚合物薄膜在惰性金或银薄底层有巯基化或没有巯基化情况下镀在石英晶片的金或银薄层上；
[0012]
iii.聚合物薄膜是修饰过的或未经修饰的聚二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚甲基丙烯酸(pmaa)等聚合物制备而成；pvdf和ptfe是非极性聚合物；pmma和pmaa是极性聚合物；
[0013]
iv.聚合物薄膜厚度为1纳米到15微米，最好在50-1000纳米，尤其是100-500纳米；
[0014]
v.聚合物薄膜是具有多微孔(小于2纳米)、多中孔(2-50纳米)和多大孔(0.2-2.5微米)的致密薄膜，大孔利于待测分子传质，中孔和微孔利于增加聚合物薄膜的比表面，有助于增加待测分子吸脱附量和提高传感器灵敏度；组成薄膜的聚合物主要呈纳米球状，聚合物纳米球直径主要分布在100-400纳米之间。
[0015]
vi.聚合物薄膜的多微孔和多中孔是用特定的制备方法形成的不透明薄膜：聚合物可以溶解在有机溶剂中；聚合物不能溶解在水中，水对于聚合物是非溶剂。制备过程利用了一定湿度条件下空气中的非溶剂水分子；制备过程把聚合物溶解在有机溶剂中，取少量有机溶液置于石英晶片的金镀膜上，在相对湿度大于30％，最好大于50％，或者大于80％的条件下室温(5-35摄氏度)让溶剂自然蒸发干燥，空气中的水分子是聚合物的非溶剂，会和有机溶液相互作用在液气界面形成溶剂非溶剂界面，在此溶剂非溶剂界面聚合物会逐渐发生相分离而析出形成多微孔多中孔多大孔的致密薄膜；制备过程应避免用空气或惰性气体吹干有机溶液。应避免干燥过程中加热；应避免干燥过程中过快；应避免干燥后加热超过80摄氏度以及在此温度下持续加热时间超过2小时；空气湿度等于0％的情况下用氮气吹干聚合物溶液得到的是无孔的透明薄膜，不能用于本发明所述化学传感器；
[0016]
聚合物薄膜可以用分子印迹法或化学嫁接官能团方法修饰制备；分子印迹法修饰制备的聚合物薄膜形成特征分子空穴和模板分子在形状、大小和分子相互作用力方面互补，具有吸附特定分子的功能；化学嫁接官能团方法修饰制备的聚合物薄膜具有吸附特定类型分子的特性。
[0017]
制备聚合物薄膜所用的溶剂是二甲基甲酰胺(dmf)、二甲基亚砜(dmso)、1-己醇、四氢呋喃(thf)、二甲基乙酰胺(dmac),或其混合物。
[0018]
一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器的一种检测方法，顺序式检测和定量分析多种有机化合物、无机化合物或者生物化合物的方法；其检测方法特征如下：
[0019]
i.为了顺序式检测和定量分析多种有机化合物、无机化合物或者生物化合物，制备好的石英晶片置入石英微天平；
[0020]
ii.接着，让待测物流入样品池充分吸附在传感薄膜上建立稳定的基线；
[0021]
iii.然后，用固定浓度的、或逐步梯度或连续梯度的洗脱相在有程序升温或没有程序升温帮助下让物理吸附的、化学吸附的或生物吸附的有机分子、无机分子或生物大分子依次脱附；
[0022]
iv.未经修饰的聚二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯
(pmma)或聚甲基丙烯酸(pmaa)吸附范围比较广，适合于扫描检测各种化合物；
[0023]
v.经过分子印迹法或化学嫁接官能团方法修饰制备的聚二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚甲基丙烯酸(pmaa)吸附特定分子或特定分子群，适合于定量检测特定化合物分子或分子群；
[0024]
vi.洗脱相为水、无机盐溶液或有机溶剂或它们的混合物；
[0025]
vii.分子依次脱附时引起的传感器晶片共振频率变化被记录下来，即为顺序式脱附峰；
[0026]
viii.峰保留时间、高度、面积和半峰宽用来鉴定和定量分析待测化合物；
[0027]
ivv.此方法可以顺序式检测和定量分析气相和液相的多种化合物。
[0028]
本发明的一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器，顺序式检测和定量分析多种有机化合物、无机化合物或者生物化合物的方法。检测方法有如下特征：为了顺序式检测和定量分析多种有机化合物或者生物化合物，制备好的石英晶片置入石英微天平。接着，让待测物流入样品池吸附在传感薄膜上建立稳定基线。然后，用固定浓度的、或逐步梯度或连续梯度洗脱相在有程序升温或没有程序升温帮助下让物理吸附的、化学吸附的或生物吸附的有机、无机或生物分子依次脱附。未经修饰的聚二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚甲基丙烯酸(pmaa)吸附范围比较广，适合于扫描检测各种化合物。经过分子印迹法或化学嫁接官能团方法修饰制备的聚二氟乙烯(pvdf)或聚四氟乙烯(ptfe)或聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚甲基丙烯酸(pmaa)吸附特定分子或特定分子群，适合于定量检测特定化合物分子或分子群。洗脱相为水、无机盐溶液或有机溶剂或它们的混合物。分子依次脱附时引起的传感器晶片共振频率变化被记录下来，即为顺序式脱附峰。峰保留时间、高度、面积和半峰宽用来鉴定和定量分析待测化合物。此方法可以顺序式检测和定量分析气相和液相的多种化合物。
附图说明
[0029]
下面结合附图和具体实施方式对本发明的一种用于检测和定量分析多种目标物的顺序式传感器及其应用作进一步说明。
[0030]
图1是(a)1.0ml甲醇和1.0ml二甲基亚砜(dmso)溶剂混合物的脱附峰；(b)是(a)的重复性实验；(c)1.0ml甲醇和0.8ml二甲基亚砜(dmso)和5ml纯水溶剂混合物的脱附峰；(d)0.8ml甲醇和1.0ml二甲基亚砜(dmso)和5ml纯水溶剂混合物的脱附峰。
[0031]
图2是快速升温条件下甲醇脱附峰(在9分钟时候的第一个峰)和二甲基亚砜(dmso)脱附峰(在17分钟时候的第二个峰)。可以和图1a和图1b进行比较。
[0032]
图3是在甲醇水溶液浓度为(a)3.85％v/v,(b)7.41％,(c)10.71％,(d)13.79％和(e)16.67％条件下的甲醇脱附峰。
[0033]
图4是甲醇水溶液的浓度-传感器共振频率变化关系的校正曲线。
[0034]
图5是在二甲基亚砜(dmso)水溶液浓度为(a)3.85％v/v,(b)7.41％,(c)10.71％,(d)13.79％和(e)16.67％条件下的二甲基亚砜(dmso)脱附峰。
[0035]
图6是二甲基亚砜(dmso)水溶液的浓度-传感器共振频率变化关系的校正曲线。
[0036]
表1是不同浓度的甲醇相对应的传感器共振频率变化信号。
[0037]
表2是不同浓度的二甲基亚砜(dmso)相对应的传感器共振频率变化信号
具体实施方式：
[0038]
如图1至图6和表1至表2所示，我们以石英微天平法为检测法来阐述应用此化学传感分子的具体实施方式。
[0039]
石英微天平传感晶片的一种制备法：
[0040]
1.石英微天平传感晶片是圆形的石英晶体超薄片，直径14mm，其正面中心有圆形超薄镀金电极，圆形金电极直径11mm。石英晶片共振频率是5mhz。
[0041]
2.清洁晶片：把晶片浸泡在新鲜piranha溶液中(3体积浓硫酸+3体积30％双氧水)5分钟，取出用去离子水冲洗干净，用氮气吹干。
[0042]
3.加强圆形金电极粘结性：为了使得铝传感分子薄膜与金电极结合更紧密，可以在金电极表面附着一个单分子层的3-巯基丙酸。用移液器取一定量的0.1％3-巯基丙酸溶液，置于圆形金电极表面均匀铺开，干燥。
[0043]
4.制备石英晶片化学传感分子薄膜：用移液器取一定量的(1-10μl)0.1-1％wt.化学传感分子溶剂(比如二甲基亚砜)溶液，置于圆形金电极表面均匀铺开，在一定空气湿度下自然干燥。
[0044]
5.制备好的石英微天平传感晶片放入石英微天平流动池，操作石英微天平进行实验测试。
[0045]
例1
[0046]
在镀金的石英晶体片上制备聚二氟乙烯(pvdf)薄膜
[0047]
4.6毫克pvdf粉末溶解在1.3毫升二甲基甲酰胺(dmf)中。取其5微升小心放置并均匀铺开在按以上所述方法清洁好的at-切割的5mhz的直径14毫米的石英晶片的金镀层(金膜直径11毫米)上。让溶剂在有一定空气湿度条件下室温5-35摄氏度自然慢慢干燥，不得用空气或氮气吹干。干燥时间最好在12小时以上。干燥后，石英晶体片上的多孔致密化学传感聚二氟乙烯(pvdf)薄膜就制备好了。
[0048]
顺序式检测多种有机分子或生物大分子
[0049]
为了要顺序式检测多种有机分子、无机分子或生物大分子，先把制备好的化学传感器薄膜芯片置入石英微天平的流动池，让待测物流入流动池和芯片化学传感器薄膜充分接触，待测的有机分子、机分子或生物大分子在化学传感器聚合物薄膜上进行物理吸附、化学吸附以及生物结合以建立稳定基线。然后，用恒定的、或步增的、或连续梯度的洗脱相在无程序升温或有程序升温的协助下让物理吸附、化学吸附以及生物结合的待测的有机分子、机分子或生物大分子在化学传感器聚合物薄膜上进行脱附。各种分子依次脱附时聚合物薄膜化学传感器晶片共振频率变化被记录下来，即为顺序式脱附峰。峰保留时间、高度、面积和半峰宽用来鉴定和定量分析待测化合物。此方法可以顺序式检测和定量分析气相和液相的多种化合物。
[0050]
例2
[0051]
顺序式检测和定量分析水溶液中的甲醇和二甲基亚砜
[0052]
先配制三种水溶液：
[0053]
溶液a：1.0ml甲醇和1.0ml二甲基亚砜溶于5.0ml去离子水中
[0054]
溶液b：1.0ml甲醇和0.8ml二甲基亚砜溶于5.0ml去离子水中
[0055]
溶液c：0.8ml甲醇和1.0ml二甲基亚砜溶于5.0ml去离子水中
[0056]
使用qsense qcm-d石英微天平来做实验测试，上面制备好的多孔致密化学传感pvdf薄膜石英晶片置入流动池。石英微天平传感晶片是圆形的石英晶体超薄片，直径14mm，其正面中心有圆形超薄镀金电极，圆形金电极直径11mm。石英晶片是at-切割的其共振频率为5mhz。让水溶液样品以每分钟150微升的速率流入流动池和pvdf传感薄膜充分接触使得待测甲醇分子和二甲基亚砜分子达到饱和吸附，通常5分钟即可在石英微天平上得到稳定基线。然后，去离子水洗脱相流入流动池，同时启动一个流动池升温程序，使得吸附的甲醇分子和二甲基亚砜分子从pvdf传感薄膜上脱附。升温程序如下：25℃下保留5分钟，然后在22分钟或15分钟内从25℃升到42℃，最后在10分钟内冷却到25℃。
[0057]
基于图1a所示的石英微天平峰，在pvdf传感薄膜上吸附的两种待测分子-甲醇分子和二甲基亚砜分子已经脱附并被完全分离开来了。第一个峰是甲醇分子峰，信号共振频率变化53.117hz(δf＝53.117hz),其在29℃时脱附，其保留时间是10分钟。第二个峰是二甲基亚砜分子峰，信号共振频率变化58.654hz(δf＝58.654hz),其在39℃时脱附，其保留时间是22分钟。不同的相对分子极性和沸点造成了每种分子的保留时间的差异，有利于不同分子的分离。甲醇的相对极性是0.762,比dmso的0.444相对极性高很多。因此，甲醇分子与洗脱相水分子的相互作用比二甲基亚砜分子与与洗脱相水分子的相互作用更强，这使得甲醇分子比二甲基亚砜分子更快被洗脱，保留时间更短。而且，甲醇的沸点(64.6℃)比二甲基亚砜的189℃低得多。化合物低沸点意味着其分子间相互作用力更低，更容易脱附。这就使得吸附的甲醇分子比二甲基亚砜分子更容易在程序升温条件下从pvdf传感薄膜上脱附。这也进一步解释了为什么甲醇分子保留时间更短。保留时间取决于待测分子的分子极性、沸点、洗脱升温速率、洗脱剂和待测分子的相互作用，以及待测分子和化学传感薄膜之间的相互作用等至少五个因素。多达五个的广泛的影响因素使得不同待测分子的保留时间非常不同，更容易被完全分离表现为独立完整单分子峰，有利于待测分子的鉴定和定量分析。图1b是图1a的重复测试，其显示，甲醇分子和二甲基亚砜分子脱附引起的共振频率变化(分别为54.012hz和59.679hz)以及洗脱温度(分别为29℃和39℃)和保留时间(分别为10分钟和22分钟)都非常接近图1a中的数值。图1b和图1a数值高度接近展示了此检测和定量分析方法的良好重复性。图1c中二甲基亚砜相对浓度从14.29％v/v降低到11.76％v/v，其引起的相应的共振频率变化平均值也从59.17hz降到48.655hz。图1d中甲醇相对浓度从14.29％v/v降低到11.76％v/v，其引起的相应的共振频率变化平均值也从53.56hz降到44.028hz，但其脱附温度和保留时间基本不变。这说明了待测物浓度变化和其引起的共振频率变化密切相关，与脱附温度和保留时间相关性较弱。
[0058]
图1a-1b升温速率是22分钟内温度从25℃升至42℃。图2升温速率更快，是15分钟内温度从25℃升至42℃。图2中甲醇分子和二甲基亚砜分子脱附比图1a-1b分别快1分钟和5分钟。然而，甲醇分子和二甲基亚砜分子脱附温度29℃和39℃未变化，说明升温速率对保留时间影响较大对脱附温度影响很小。
[0059]
甲醇分子和二甲基亚砜分子的浓度-共振频率变化校正曲线
[0060]
为了建立待测甲醇分子浓度和其引起的共振频率变化之间的关系，配置和测量了一系列具有不同的甲醇浓度的水溶液并用上述制备的pvdf传感薄膜石英晶片在石英微天平上进行了测试，信号图记录和信号数值在图3和表1中。图4展示了甲醇分子的浓度-共振频率校正曲线，其显示了良好线性，r2数值0.9941非常接近1。从其斜率3.2099hz/％v/v和
传感薄膜石英晶片0.5hz的噪音水平可以计算出实验条件下的检测限是0.47％v/v。仪器和实验条件如果再优化，灵敏度可以进一步提高。譬如，石英晶片的共振频率可以从5mhz变成10mhz,把聚合物薄膜的颗粒变得更小，薄膜厚度更厚，不同的聚合物薄膜，等等。
[0061]
为了建立待测二甲基亚砜分子浓度和其引起的共振频率变化之间的关系，配置和测量了一系列具有不同的二甲基亚砜浓度的水溶液并用上述制备的pvdf传感薄膜石英晶片在石英微天平上进行了测试，信号图记录和信号数值在图5和表2中。图6展示了二甲基亚砜分子的浓度-共振频率校正曲线，其显示了良好线性，r2数值0.9947非常接近1。从其斜率3.431hz/％v/v和传感薄膜石英晶片0.5hz的噪音水平可以计算出实验条件下的检测限是0.44％v/v。仪器和实验条件如果再优化，灵敏度可以进一步提高。譬如，石英晶片的共振频率可以从5mhz变成10mhz,把聚合物薄膜的颗粒变得更小，薄膜厚度更厚，不同的聚合物薄膜等等。
[0062]
表1
[0063][0064]
表2
[0065]