由激光产生的可重复使用、力学强度高、精确度高的 光子纳米传感器外文翻译资料

 2022-01-11 10:01

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由激光产生的可重复使用、力学强度高、精确度高的

光子纳米传感器

摘要：我们研发了一种易于制造、力学强度高且可重复使用的无创、准确的诊断方法，可为任何临床或即时检测环境中的高危人群提供监测。我们提出了一种临床相关的光学葡萄糖纳米传感器的制造方法，可以在不影响精确度的情况下重复使用至少400次。使用单束6ns激光器(lambda; = 532 nm， 200 mJ)脉冲快速产生离轴布拉格衍射光栅，光栅由嵌在苯硼酸功能化水凝胶中的有序银纳米颗粒组成。该传感器具有可逆的大波长偏移，并在波长范围为510-1100 nm的窄带光上衍射。与商业化的高通量尿液分析设备相比，该传感器的实验灵敏度表明其对糖尿病患者尿液样本中葡萄糖的诊断能力更高。传感器在5分钟内完成响应，在10秒内复位至基线。预计该传感平台将对用于糖尿病筛查的可重复使用、无设备的比色即时检测诊断装置的开发具有意义。

关键词：光子传感器，葡萄糖传感，纳米粒子，诊断，即时检测

　　由嵌入分析响应材料的光学传感器组成的葡萄糖传感器对医疗监控系统的发展具有很大的吸引力。相对于传统的染料、荧光分子和电化学分析，光学传感器的优点是：(1)不受电磁场的影响，(2)无标签，(3)可实现无菌遥感，(4)可实现小型化和多路复用，(5)可用于实时连续监测。著名的光学传感器包括光子结构，如等离子体纳米材料、混合凝胶、晶体胶体阵列和反蛋白石水凝胶。这些分析反应聚合物还具有的优点是：通过改变周期结构、折射率和/或局部表面等离子体共振进行微调。尽管这些聚合物光学传感器可以微加工、自组装或二者结合，目前还没有一种快速、通用的传感器制造技术能够生产具有高可调范围的窄带、均匀、可逆比色读数的传感器。

　　在文中，我们给出了一种快速制备葡萄糖响应可逆比色光子纳米传感器的有效方法。我们结合离轴多光束干涉和硼酸衍生物功能化水凝胶中金属纳米粒子的原位尺寸缩小的优点，采用新的单脉冲激光刻写技术，制作了视觉比色仪。采用分光光度法实现了全定量窄带(单色)读出。目前，我们的传感器技术的优势是：(1)可重复使用，(2) 通过激光技术进行批量生产，(3) 在光谱的可见光和近红外区域读取数据，(4) 使用低样品体积（lt;500mu;L），在0.1-375.0 mM的葡萄糖浓度范围内进行检测，具有可重复性和高分析灵敏度。计算分析使这个新的葡萄糖传感平台得到了优化，并进一步允许系统在响应其他代谢产物如乳酸和果糖时发挥更大的效用。该传感器在糖尿病患者尿液样本中的临床试验表明，与CLINITEK Status Analyzer (西门子)读取的Multistix 10 SG相比，该传感器的性能有了显著提高，同时与全自动Dimension临床化学系统(西门子)的性能相当。我们研制的葡萄糖响应性凝胶型比色光子纳米传感器可用于糖尿病的筛查或细菌性尿路感染的诊断。

通过分析纳米颗粒的粒径分布、角度测量和pKa值的确定，结合光学特性的计算建模，可以优化和利用传感应用的衍射特性。我们的纳米传感器具有Ag0纳米粒子（NPS）（oslash; = 15minus;25 nm）的衍射光栅，该光栅由在一个约10mu;m厚的、3-丙烯酰胺基苯硼酸（3-APB）功能化的聚丙烯酰胺（PAAM）基质中的单个6ns激光器(lambda; = 532 nm， 200 mJ)脉冲产生的多光束干涉组成。支持信息图S1说明了单脉冲激光写入传感器的分步制作过程。结果发现单脉冲激光光化学图案化后Ag0纳米粒子的尺寸减小，如图1a，b中PAAM基质-Ag0 纳米粒子系统横向平面的透射电子显微镜（TEM）图像所示（见支持信息图S2）。一个原位纳米颗粒的放大图像(参见插图)显示，在图案形成之前和之后，尺寸由oslash;= 32plusmn;14 nm (n = 230)减小到oslash; = 16plusmn;8 nm(n = 429)。Ag0纳米粒子的粒径、密度和周期的变化决定了纳米传感器在不同波长下，对强度和衍射的光谱响应。

支持信息图S1说明了如何通过单脉冲激光写入逐步制造传感器。结果发现单脉冲激光光化学图案化后Ag0纳米粒子的尺寸减小，如图1a，b中PAAM基质- Ag0 纳米粒子系统横向平面的透射电子显微镜（TEM）图像所示（见支持信息图S2）。

　　计算模型可以得到由于颗粒尺寸、密度和周期性变化而产生的PAAM基质- Ag0纳米粒子系统的光学特性。计算三种不同的波叠加产生的干涉， (1)入射光，(2)从反射镜反射的光束，(3) 在下方PAAM-水界面内部反射的光束，沿着PAAM凝胶的横截面产生周期性结构，限制在20times;10 mu;m2区域内(见支持信息图S3折射率测量)。菲涅耳定律描述了入射光1、反射光3和折射光4的路径。衍射波2在镜面反射10°处观察到(图1 c)，遵循了布拉格定律，nlambda;max = 2 d sin(theta;)，其中n是整数，theta;是入射光和光子结构表面之间的夹角。从该装置中发现的偏移衍射产生了窄带读出信号，并允许因分析物的类型和浓度不同而使装置的光学性质发生细微变化。传感器的实验光谱响应如图1d所示。在镜面反射约10°处，光栅在530 nm处显示窄带光，其中衍射效率比其他波长大2个数量级，证实存在预期的周期性的光子结构。这些结果与通过计算建模得到的结果紧密相关，从而使这些设备具有预测光学特性。

尿葡萄糖的测定在各种临床相关病症下具有诊断适用性。正常情况下，尿液中葡萄糖的排泄率在0.30 ~ 1.70 mmol / 24 h之间。由于大多数过滤后的葡萄糖通常被重吸收，所以尿液中葡萄糖浓度的升高表明葡萄糖重吸收受损(如家族性肾性糖尿)，或者，更常见的是超过肾脏的重吸收能力的高血糖症(如糖尿病)。相反，由于细菌对葡萄糖的代谢，若尿道感染，则会检测出低浓度的尿葡萄糖。现有的比色和电化学测试基于葡萄糖氧化酶反应。然而，因为其敏感性较低（即正确识别疾病患者），它们在检测未确诊糖尿病方面的表现有限，范围从21%到64%。由于检测限高和药物干扰，出现假阴性读数(见支持信息表S1)。虽然低灵敏度测试可能有用，但假阴性可能导致使用者产生错误的安全感，更严重的是会延误患者得到正确诊断和早期治疗。

通过基质-分析物相互作用，晶格间距的细微变化为葡萄糖或其他分析物的传感提供了一个高灵敏度的波长滤波器。为了制作葡萄糖传感器，我们使用3-APB对PAAM水凝胶进行功能化(图1e)。支持信息表S2提供了葡萄糖响应水凝胶的组成信息。3-APB和葡萄糖上顺式二醇单元之间的可逆共价键会改变水凝胶的亲水性，从而改变Ag0纳米粒子的周期结构。硼酸(pKa = 8.8)在低pH值时呈不带电的三角平面构型，可形成与高pH值时相同的络合物。支持信息图S4描述了这种络合机制。顺式二醇基团的结合形成硼酸根离子，增加了体系的Donnan渗透压，从而使聚合物水凝胶膨胀(图1f.g)。膨胀使具有周期结构的Ag0纳米粒子之间的距离增加，并使衍射峰的波长变长。

在生理条件下(pH=7.40)，我们的纳米传感器对临床的人工尿液中葡萄糖浓度升高(1.0 - 10.0 mM)的响应表明，衍射光的波长从较短变为较长。支持信息表S3显示了人工尿液的组成。图2a为pH 7.40下的典型窄带光谱读数，说明随着葡萄糖浓度的增加，光子结构的衍射效率和峰宽有所降低。这种光学效应是由于当聚合物基质沿着垂直于基底的方向膨胀时，周期性区域中存在的Ag0 纳米粒子的密度降低。这种膨胀降低了这些区域与介质之间的有效折射率对比度，从而降低了局部表面等离子体共振的吸收强度。我们还推断，由于系统中Ag0 纳米粒子的浓度与密度集中区域(层)的晶格间距(d)成反比，因此这一趋势是渐近的。所以，最大峰值强度(maximum peak intensity,Imax)及其对应的波长lambda;max由于栅格膨胀过程中有效折射率对比度的降低，与层的周期性成反比。此关系式可表示为Imax = c/lambda;max，其中c为常数，假设渐近线趋近于0。然而，在我们的PAAM基质- Ag0 纳米粒子系统中，聚合物的膨胀是有限的，且渐近线不趋近于零，则给定lambda;max下的最大强度(Imax)可以表示为：

其中I0和lambda;0表示曲线的渐近线。此外，关于一阶的渐近线的位移可以归因于其他因素，例如每个Ag0纳米粒子的散射强度在蓝色/绿色区域的米氏等离子体共振处增强，因此随着布拉格共振向更长的波长移动，散射总量减少。衍射测量中使用的分光光度计的波长偏移分辨率为0.50nm，对应于根据布拉格定律计算得出的最小晶格膨胀距离0.17nm。10mu;m厚的水凝胶基质理论上可以容纳55 个Ag0纳米颗粒。 因此，与基底垂直的水凝胶总溶胀量至少为9.40nm，才能引起可分辨的光谱偏移。

不含葡萄糖的人工尿液的衍射峰波长为565 nm，添加了10.0 mM葡萄糖后，在pH值为7.00、7.25、7.40、7.75、8.00时，衍射峰发生了21、81、356、379、420 nm的系统性偏移(图2b)；导致检测限分别为0.61、0.50、0.41、0.36、0.26 mM。在进入近红外区域之前，随着葡萄糖浓度进一步增加，衍射显示绿色、黄色、橙色和红色光 (如图2b所示)。由图2c可知，根据Henderson-Hasselbalch方程，纳米传感器的表观pKa值为8.5，当pH值从6.0增加到10.0时，传感器的灵敏度有所提高(比色读数见附图)。因此，利用该pKa，我们可以预设葡萄糖在pH值为7.00、7.25、7.40、7.75和8.00时，以0.4%、3.2%、4.9%、17.8%和25.7%的电离度与四面体形式结合，然后达到平衡。在低浓度下，葡萄糖以四面体配位形式与硼酸基团结合，在这种配位形式下，结合虽然在动力学上较慢，但在较高浓度下会转化为三角平面形式。因此，在较高的浓度范围时，可以观察到斜率降低。

我们的高灵敏度传感器在检测与尿道感染相关的低血糖症方面的潜在临床应用是通过将葡萄糖浓度定量到1.0 mM以下进行测试的。当细菌存在于尿液中时，它们会代谢现有的葡萄糖，将其浓度降低到1.0 mM以下。因此，测定低浓度、高灵敏度的尿葡萄糖可用于尿路感染的快速筛查，并通过检测和早期治疗尿路感染，降低因肾瘢痕形成慢性肾功能衰竭的风险。我们在图2d中展示了如何通过将衍射峰系统地移动到更长波长，对人工尿液溶液中0.1到1.0 mm的葡萄糖浓度进行定量 (光谱读数见支持信息图S5，比色响应见图2d中的插图)。波长从3到120 nm， pH从7.00到8.00系统地增加时，浓度检测限分别为240到90 mu;M。

3-APB的顺式二醇基团可以竞争性地结合乳酸、果糖和葡萄糖。尽管乳酸在尿液中以低浓度存在（0.01-0.25mmol / L，其可在体力活动期间增加），但它可通过其alpha;-羟基酸与水凝胶中的硼酸结合基团竞争性结合。在高浓度（10.0mM）的乳酸下，测量到125nm的偏移（图2e），在低浓度（lt;1.0mM）的乳酸下，测量到15nm的波长偏移（图2e中的上方插图） （有关光谱读数，请参见支持信息图S6；有关比色响应，请参见图2e中的下方插图）。在尿液中的正常乳酸浓度为1.0mM时，乳酸的相应干扰导致波长偏移高达15nm。由于乳酸干扰诊断葡萄糖尿（10.0mM）和尿路感染（lt;1.0mM）的测量误差分别为4.2和13.6％。除乳酸外，我们还评估了与果糖的竞争性结合。尿液中正常的果糖排泄量为37.7 plusmn; 23.0mu;mol/天。由于摄入过量的糖分，尿液中的果糖浓度可能会升高。天然和添加的糖都含有大量的果糖，且饮食中的糖消耗与尿量成正比，因为摄入的一部分果糖会逃逸肝脏代谢并进入系统循环，在尿液中排出。为了评估其干扰，我们用含有不同浓度的果糖的人造尿液测试了我们的纳米传感器。我们分别在1.0和2.0 mM果糖浓度的情况下测量到115和260 nm的波长偏移（图2f）（参见支持信息图S7中的光谱读数）。图2f中的插图显示了比色响应。除了果糖和乳酸外，我们还研究了渗透压的变化（参见支持信息图S8）。

在24℃达到平衡（lt;3nm）后，在连续（连续膨胀/收缩步骤）的人工尿液变化过程中，传感器的响应在 plusmn; 5 nm范围内可重复，并且在试验期间没有检测到滞后现象。在低葡萄糖浓度（lt;1.0mM）下，传感器需要50分钟的响应时间才能达到90％的平衡。然而，在高葡萄糖浓度（gt; 1.0mM）下，传感器达到90％的平衡只需要约1.5小时。 传感器对果糖的响应显示出类似的周转时间，但传感器对乳酸的响应速度明显更快，对于10.0 mM乳酸浓度的溶液，在3分钟内就达到90％的平衡。 对于乳酸浓度lt;1.0 mM的溶液，传感器在20 s内达到90％的平衡。

2014年2月，我们还对在英国沃尔夫森糖尿病和内分泌诊所(Addenbrooke#39; s Hospital)收集的匿名糖尿病患者的尿液样本进行了检测。光子传感器的组成经过优化，可以测试高达375 mM葡萄糖浓度的样本。支持信息图S9说明了优化后的传感器的校准。通过对糖尿病患者尿液中葡萄糖浓度的定量分析，评价了葡萄糖传感器的可靠性（n = 33）。为了减少分析中的周转时间，波长偏移率与样品中葡萄糖的浓度相关。通过分析这种动态位移，我们预测了在给定葡萄糖浓度下纳米传感器的特性。这种方法的新颖之处在于，可以无需等待平衡，就能准确估计葡萄糖浓度。在尿样的测试中，最大强度的峰值波长从1到5分钟测量，增量为1分钟。

传感器复位时间

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资料编号：[1611]

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