本發(fā)明涉及生物傳感，具體涉及一種丙酮檢測用可逆無背景水凝膠納米傳感器及智能傳感平臺。

背景技術(shù)：

1、丙酮作為呼出氣體中一種重要的揮發(fā)性有機化合物(voc)，近年來在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域引起了相當(dāng)大的關(guān)注。丙酮作為疾病生物標(biāo)志物的潛力為早期疾病診斷和預(yù)防提供了新的可能性。因此，檢測呼出氣體中丙酮的濃度已成為評估個體健康狀況、監(jiān)測疾病進展和評估治療效果的有前景的方法。

2、傳統(tǒng)的丙酮檢測方法，如氣相色譜法、氣相色譜-質(zhì)譜法和分光光度法，雖然在準(zhǔn)確性方面表現(xiàn)良好，但由于操作繁瑣和儀器要求昂貴，在實際應(yīng)用中受到限制。相比之下，熒光探針因其操作簡單、靈敏度高、可視化等特點而受到廣泛關(guān)注，在生物醫(yī)學(xué)和環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。此外，將熒光探針固定在紙基質(zhì)上以構(gòu)建熒光試紙，并結(jié)合智能傳感平臺，可以提供一種便攜式、靈敏且低成本的丙酮檢測方法，避免了使用復(fù)雜的實驗室儀器和耗時的樣品預(yù)處理過程，實現(xiàn)了實時、原位和視覺檢測。然而，熒光探針附著在紙基質(zhì)上經(jīng)常導(dǎo)致探針分布不均和非輻射躍遷的增加，這反過來又會導(dǎo)致熒光信號的變化和熒光淬滅，最終降低檢測的靈敏度。

3、相比之下，水凝膠因其獨特的半濕結(jié)構(gòu)、優(yōu)異的透明度和機械強度而成為熒光探針的理想載體。在水凝膠制備過程中，熒光探針可以均勻地結(jié)合到其網(wǎng)絡(luò)中。此外，水凝膠提供了一種多孔的半濕結(jié)構(gòu)，在檢測中保持了與液體環(huán)境中相當(dāng)?shù)母哌x擇性和靈敏度。然而，目前的熒光水凝膠納米傳感器仍然存在以下技術(shù)難題：(1)?水凝膠基質(zhì)在短波長激發(fā)下會發(fā)生自熒光，從而影響熒光檢測信號；(2)?可回收性是創(chuàng)建理想傳感器的關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)，而大多數(shù)熒光傳感器依賴于不可逆的化學(xué)反應(yīng)。因此，化學(xué)反應(yīng)的這種不可逆性阻礙了熒光探針的可回收性，從而提高了基于水凝膠的熒光傳感器的成本。

4、最近，基于上轉(zhuǎn)換納米粒子(ucnps)的納米探針因其獨特的光學(xué)性質(zhì)而受到廣泛關(guān)注。具體來說，上轉(zhuǎn)換納米探針將長波近紅外光轉(zhuǎn)換為可見光或近紅外光，從而實現(xiàn)了高靈敏度的光學(xué)檢測，同時將背景干擾降至最低。此外，上轉(zhuǎn)換納米探針還表現(xiàn)出優(yōu)異的光學(xué)和化學(xué)穩(wěn)定性，在各種實驗條件下保持穩(wěn)定的發(fā)光性能。這些優(yōu)點使上轉(zhuǎn)換納米探針有望在生物醫(yī)學(xué)成像、生物傳感和治療中得到廣泛應(yīng)用。因此，利用ucnp構(gòu)建用于檢測丙酮的發(fā)光水凝膠傳感器是緩解水凝膠基質(zhì)引起的自發(fā)熒光問題的有效方法。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種丙酮檢測用可逆無背景水凝膠納米傳感器，通過將特異性識別丙酮的上轉(zhuǎn)換納米探針嵌入水凝膠網(wǎng)絡(luò)中，實現(xiàn)了丙酮的高靈敏度、可逆及雙模態(tài)（比色和發(fā)光）檢測。上轉(zhuǎn)換納米探針由作為識別單元的硫酸羥胺、作為能量受體的百里酚藍(lán)鈉鹽(tb)和作為能量供體的ucnps組成，其獨特的傳感機制能夠在丙酮存在下觸發(fā)顏色變化和發(fā)光淬滅。此外，本發(fā)明還利用3d打印技術(shù)構(gòu)建了便攜式智能傳感平臺，集成了激光器、比色皿和智能手機，便于快速現(xiàn)場檢測。該平臺不僅克服了傳統(tǒng)傳感器在靈敏度和可逆性方面的限制，還展現(xiàn)了對人體呼出丙酮的準(zhǔn)確監(jiān)測能力，在糖尿病等疾病的早期診斷和健康管理中具有廣闊應(yīng)用前景。

2、本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題采用以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、本發(fā)明的第一個目的是提供一種可逆無背景水凝膠納米傳感器，由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述水凝膠基質(zhì)為聚丙烯酰胺(pam)水凝膠，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括ucnps、硫酸羥胺和tb。

4、在本發(fā)明中，通過ucnps的長波長激發(fā)避免水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，硫酸羥胺作為丙酮的特異性識別單元，tb作為能量受體，利用tb質(zhì)子化和去質(zhì)子化的可逆反應(yīng)實現(xiàn)丙酮的可逆、無背景以及雙模態(tài)(比色和發(fā)光)檢測。

5、本發(fā)明的第二個目的是提供一種智能傳感平臺，包括所述可逆無背景水凝膠納米傳感器。

6、本發(fā)明的第三個目的是提供所述可逆無背景水凝膠納米傳感器或所述智能傳感平臺在丙酮檢測中的應(yīng)用。

7、本發(fā)明的有益效果是：

8、1、本發(fā)明通過采用硫酸羥胺作為丙酮的特定識別單元，構(gòu)建了一種可逆的發(fā)光水凝膠探針以用于丙酮檢測。這意味著該探針可以在多次檢測中重復(fù)使用，從而降低了單次檢測的成本。相較于一些需要消耗性材料或只能單次使用的檢測方法，可逆檢測發(fā)光探針提供了一種更為經(jīng)濟高效的選擇，特別是在需要大量樣本檢測或長期監(jiān)測的應(yīng)用中，這一優(yōu)勢尤為明顯。

9、2、本發(fā)明通過采用近紅外光作為激發(fā)光源有效地避免了水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，從而提高了檢測精度。

10、3、本發(fā)明利用水凝膠的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和半濕特性緩解了熒光探針因分布不均和負(fù)載量低而造成的靈敏度差的問題。

11、4、本發(fā)明構(gòu)建的智能傳感平臺能夠靈敏且快速地進行丙酮的現(xiàn)場檢測。

技術(shù)特征：

1.一種可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述水凝膠納米傳感器由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述水凝膠基質(zhì)為pam水凝膠，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括ucnps、硫酸羥胺和tb。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述pam水凝膠是由n,n'-亞甲基雙丙烯酰胺和丙烯酰胺通過自由基誘導(dǎo)聚合反應(yīng)合成。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps是以稀土氯化物、oa、ode、nh4f和naoh為原料通過溶劑熱法制備得到；

4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps具有核殼結(jié)構(gòu)，以β-nayf4:yb,er為核，nayf4為殼。

5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于，所述ucnps的制備方法包括以下步驟：

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps的制備過程處在保護性氣氛中。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器，其特征在于：所述ucnps通過酸處理和表面修飾聚丙烯酸的方式實現(xiàn)由疏水性到親水性的轉(zhuǎn)變。

8.一種智能傳感平臺，包括權(quán)利要求1~7任意一項所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器。

9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的智能傳感平臺，其特征在于：所述智能傳感平臺還包括980?nm激光器、比色皿、智能手機和3d打印配件。

10.權(quán)利要求1~7任意一項所述的可逆無背景水凝膠納米傳感器或權(quán)利要求8~9任意一項所述的智能傳感平臺在丙酮檢測中的應(yīng)用。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種丙酮檢測用可逆無背景水凝膠納米傳感器及智能傳感平臺，涉及生物傳感技術(shù)領(lǐng)域，所述水凝膠納米傳感器由水凝膠基質(zhì)和上轉(zhuǎn)換納米探針構(gòu)成，所述上轉(zhuǎn)換納米探針包括上轉(zhuǎn)換納米粒子(UCNPs)、硫酸羥胺和百里酚藍(lán)(TB)；本發(fā)明通過采用硫酸羥胺作為丙酮的特定識別單元，構(gòu)建了一種可逆的發(fā)光水凝膠探針以用于丙酮檢測，該探針可以在多次檢測中重復(fù)使用，降低了單次檢測的成本；并且通過采用近紅外光作為激發(fā)光源有效地避免了水凝膠基質(zhì)的自發(fā)熒光干擾，提高了檢測精度。

技術(shù)研發(fā)人員：郭文帥,朱佳偉
受保護的技術(shù)使用者：淮北師范大學(xué)
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/9