一種用于傳感測量的薄膜復(fù)合探針及其制備方法本申請是中國發(fā)明專利申請(發(fā)明名稱：磁聲諧振傳感器；申請?zhí)枺?01180026587.8；申請日：2011年12月9日)的分案申請。
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感裝置，優(yōu)選的是采用水凝膠的化學(xué)激活型機電傳感裝置。
背景技術(shù)：
：接觸不同的化學(xué)環(huán)境時能夠改變形狀或體積的水凝膠已用作pH傳感器、離子傳感器、化學(xué)傳感器、氣體傳感器和溫度傳感器，并用作機械驅(qū)動元件。例如參見：Bashir,R.等，MicromechanicalcantileverasanultrasensitivepHmicrosensor,AppliedPhysicsLetters,2002,81(16):3091頁～3093頁；Zhang,L.和W.R.Seitz,ApHsensorbasedonforcegeneratedbypH-dependentpolymerswelling,AnalyticalandBioanalyticalChemistry，2002,373(7):555頁～559頁；VanderLinden,H.等，Developmentofstimulus-sensitivehydrogelssuitableforactuatorsandsensorsinmicroanalyticaldevices.SensorsandMaterials,2002,14(3):129頁～139頁；Mayes,A.G.等，Metalion-sensitiveholographicsensors.AnalyticalChemistry，2002,74(15):3649頁～3657頁；Mayes,A.G.等，Aholographicalcoholsensor.AnalyticalChemistry，1999,71(16):3390頁～3396頁；Mayes,A.G.等，Aholographicsensorbasedonarationallydesignedsyntheticpolymer.JournalofMolecularRecognition,1998,11(1-6):168頁～174頁；Millington,R.B.等，Ahologrambiosensorforproteases.SensorsandActuatorsB-Chemical,1996,33(1-3):55頁～59頁；Blyth,J.等，Holographicsensorforwaterinsolvents.AnalyticalChemistry，1996,68(7):1089頁～1094頁；Herber,S.,W.Olthuis和P.Bergveld,Aswellinghydrogel-basedP-C02sensor.SensorsandActuatorsB-Chemical,2003,91(1-3):378頁～382頁；Kuckling,D.等，Photocross-linkablepoly(N-isopropylacrylamide)copolymersIII：micro-fabricatedtemperatureresponsivehydrogels.Polymer,2003,44(16):4455頁～4462頁；Hilt,J.Z.等，Ultrasensitivebiomemssensorsbasedonmicrocantileverspatternedwithenvironmentallyresponsivehydrogels.BiomedicalMicrodevices,2003,5(3):177頁～184頁?；诟男运z的色變，對水凝膠晶體的尺寸變化或衍射光柵的光學(xué)檢測已經(jīng)提供了方便的感測計量(sensorimetric)信號，后者提供了更通用的檢測平臺。例如參見：Asher,S.A.等Photoniccrystalcarbohydratesensors:Lowionicstrengthsugarsensing.JournaloftheAmericanChemicalSociety，2003,125(11):3322頁～3329頁和Marshall,A.J.等PH-sensitiveholographicsensors.AnalyticalChemistry，2003,75(17):4423頁～4431頁。然而，據(jù)認(rèn)為水凝膠有幾個方面有具體應(yīng)用。例如參見Hoffman,A.S.,Hydrogelsforbiomedicalapplications.AdvancedDrugDeliveryReviews,2002,43:1頁～12頁。對于光學(xué)水凝膠系統(tǒng)的一個重要考量是維持限定隨后色變的顆粒的位置。這需要水凝膠必須保持足夠的穩(wěn)定性剛度，但同時提供低內(nèi)聚力，使得能夠出現(xiàn)可測的體積變化。水凝膠的這些機械方面已經(jīng)通過將聚-HEMA(甲基丙烯酸羥乙基酯)的矩形單元的大小拉伸數(shù)厘米而進(jìn)行了研究，以測量其在不同pH值的彈性。例如參見Johnson,B.等，MechanicalpropertiesofapHsensitivehydrogel，2002年SEM年會論文,Milwaukee,WI。另一種傳感方法使用響應(yīng)于粘彈性溶液的聲波傳感器。聲波傳感器包括在粘彈性溶液中受激振動的諧振器。溶液粘度變化(例如，由于化學(xué)反應(yīng))導(dǎo)致可檢測的諧振器的振動頻率/振幅變化。前述傳感器的適配包括在諧振器上提供單分子膜，所述單分子膜用作周圍化學(xué)/物理環(huán)境的探針。單分子膜可以與周圍溶液中的分子反應(yīng)，例如導(dǎo)致諧振器的質(zhì)量/體積發(fā)生變化，從而改變諧振器振動的頻率/振幅。這樣的設(shè)置已經(jīng)能夠使用單層水凝膠檢測核苷酸。例如參見Kanekiyo,Y.等，Novelnucleotide-responsivehydrogelsdesignedfromcopolymersofboronicacidandcationicunitsandtheirapplicationsasaQCMresonatorsystemtonucleotidesensing.JournalofPolymerScienceParta-PolymerChemistry，2000,38(8):1302頁～1310頁；Tang,A.X.J.等，Immunosensorforokadaicacidusingquartzcrystalmicrobalance,AnalyticaChimicaActa,2002.471(1):33頁～40頁；Nakano,Y.,Y.Seida和K.Kawabe,Detectionofmultiplephasesinecosensitivepolymerhydrogel,KobunshiRonbunshu,1998.55(12):791頁～795頁；以及Serizawa,T.等，Thermoresponsiveultrathinhydrogelspreparedbysequentialchemicalreactions.Macromolecules,2002.35(6):2184頁～2189頁。聲學(xué)傳感器因此可用作周圍環(huán)境的探針而無需組合衍射光柵。然而，在上述設(shè)置中，為了檢測變化，需要對聲頻中出現(xiàn)的通常<0.01％的擾動進(jìn)行仔細(xì)跟蹤。也就是，現(xiàn)有的聲波傳感器具有下述問題：因物理/化學(xué)環(huán)境變化而在傳感器中產(chǎn)生的效應(yīng)較小，為了獲得關(guān)于變化的有用信息，需要進(jìn)行靈敏度非常高的測量。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明試圖利用受驅(qū)傳感器的物理和/或化學(xué)性質(zhì)的變化來監(jiān)測周圍環(huán)境的變化。特別是，本發(fā)明試圖解決上述的現(xiàn)有聲波傳感器的低靈敏度問題。根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種傳感裝置，所述傳感裝置包括諧振器、傳感器和檢測器，所述傳感器與所述諧振器機械連接，所述傳感器包含在接觸周圍環(huán)境變化時在第一狀態(tài)和第二狀態(tài)之間變化的傳感器材料，其中所述傳感器由所述諧振器驅(qū)動，并且所述檢測器響應(yīng)于所述傳感器材料的狀態(tài)變化，其中所述傳感器材料是聲學(xué)厚層的形式。本聲學(xué)法的主要優(yōu)勢在于能夠傳回由交聯(lián)和共聚所致的內(nèi)部化學(xué)力的信息，這些信息對于水凝膠彈性而言是明顯的，但對于光學(xué)收集的任何尺寸變化都是不明顯的。本發(fā)明的實施方式的優(yōu)勢在于跨水凝膠膜(聲學(xué)厚膜)厚度的聲相變化較大并且接近Pi/2，從而基本上將諧振改變至消除點(pointofextinction)，并因而提供了振動與未振動狀態(tài)之間的有用的機械開關(guān)作用。因此，本發(fā)明的實施方式相對于現(xiàn)有技術(shù)的有利技術(shù)效果是，在化學(xué)/物理環(huán)境發(fā)生變化時，諧振器的聲信號的振幅移動較大，因而與其中聲頻僅有小幅移動的現(xiàn)有技術(shù)設(shè)置相比，更容易進(jìn)行檢測。傳感器層(可以是生物識別層)自身變?yōu)閮δ芑蚝哪艿闹C振結(jié)構(gòu)。傳感器響應(yīng)因而受控于傳感器層或上部層的化學(xué)組成。水凝膠膜是這類上部層的一種成功實例。該有利技術(shù)效果通過提供聲學(xué)厚層形式的傳感器材料而實現(xiàn)，其不同于現(xiàn)有技術(shù)所公開的薄層。也就是，提供聲學(xué)厚膜直接導(dǎo)致聲信號極大偏移。對于粘彈性材料而言，聲學(xué)薄層性能與聲學(xué)厚層性能之間的轉(zhuǎn)換最方便地由相因數(shù)限定。因此，聲學(xué)厚膜的厚度大致滿足下述等式：其中，ω是角頻率，ρ是密度，G是剪切模量，t是膜厚度。聲學(xué)厚層是當(dāng)聲波垂直于該層傳播時能夠支持聲波顯著相移的層。該限定不包括現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)置中所公開的單層。此類單層不能支持垂直于所述層的聲相移。并且，此類單層如果不根據(jù)上述等式使用高頻，也不能支持平行于所述層的聲相移。在本申請的上下文中，“聲振動”是指在傳感器的上下邊界之間反射的駐聲波。優(yōu)選的是，檢測器包括能夠設(shè)置用于將電磁場導(dǎo)向傳感器的電磁場發(fā)生器。這是有利的，因為傳感器可無需連接線而遠(yuǎn)程使用。優(yōu)選的是，電磁場發(fā)生器和檢測器包括用于產(chǎn)生電磁場和用于檢測電磁場的常規(guī)結(jié)構(gòu)元件。這提供了緊湊的設(shè)置。有利的是，電磁場發(fā)生器是可調(diào)的。這使得裝置在使用時具有更大的變化性和靈敏性。電磁場發(fā)生器可以是螺旋線圈，傳感裝置可包括與電磁場發(fā)生器和檢測器連接的信號發(fā)生器和鎖相放大器以提供更大的靈敏性。檢測器可包括用于從信號發(fā)生器產(chǎn)生的信號中減去檢測到的信號的差分二極管檢波電路。在一種設(shè)置中，諧振器包括可設(shè)置用于將磁場導(dǎo)向傳感器的磁體。此設(shè)置提供了磁聲諧振傳感器。諧振器可包括與傳感器機械連接的激發(fā)器，其可以是如石英層等壓電材料。壓電層的厚度優(yōu)選為50μm～1000μm。其他傳感裝置可用于測量檢測器的電阻抗，從而測量聲響應(yīng)。例如，可加入市售的阻抗分析儀或其他定制的阻抗測量電路。激發(fā)器可來源于磁致伸縮材料，其中諧振器電磁場的磁分量用于激發(fā)聲波。激發(fā)器可包含金屬材料。其可以是厚度優(yōu)選為50μm～1000μm的層形式。包含聲學(xué)厚層傳感器材料的傳感器層優(yōu)選為0.1μm～1mm厚，更優(yōu)選為0.1μm～100μm厚，進(jìn)而更優(yōu)選為0.1μm～10μm厚，最優(yōu)選為0.5μm～5μm厚。有利的是，傳感器層大于一分子厚。傳感器材料優(yōu)選為水凝膠，例如甲基丙烯酸羥乙基酯-甲基丙烯酸酯共聚物、聚(丙烯酰胺-co-3-丙烯酰胺基苯基硼酸)或聚(丙烯酰胺-co-2-丙烯酰胺基苯基硼酸)。優(yōu)選的是，所述傳感裝置是化學(xué)驅(qū)動型機電傳感裝置。所述傳感裝置可用于傳感方法中。并且，所述傳感裝置可用作開關(guān)或用于連續(xù)監(jiān)測的方法中。此外，所述傳感裝置可用于基于周圍環(huán)境的變化而控制體系的方法中。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供了一種制備復(fù)合探針的方法，所述復(fù)合探針包含壓電性諧振器元件和所述諧振器元件上的水凝膠聲學(xué)厚膜，所述方法包括：配制所述水凝膠用單體混合物；將所述單體混合物施加到如鍍鋁聚酯片等防粘層上；將諧振器元件施加到所述單體混合物上；使所述單體混合物聚合以形成粘附于所述諧振器元件的所述水凝膠聲學(xué)厚膜，從而形成復(fù)合探針；并將所述復(fù)合探針與所述防粘層剝離。在施加所述單體混合物之前可以用粘合劑(如甲基丙烯酸三甲氧基甲硅烷基丙基酯)處理所述諧振器元件從而促進(jìn)粘合。在一個實施方式中，水凝膠由甲基丙烯酸2-羥乙基酯(HEMA)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA)、甲基丙烯酸酯(MAA)和光引發(fā)劑(如二甲氧基苯基丙酮)的混合物制備。在另一種設(shè)置中，水凝膠由3-丙烯酰胺基苯基硼酸、丙烯酰胺和N,N-亞甲基雙丙烯酰胺的混合物制備。在又一種設(shè)置中，水凝膠由2-丙烯酰胺基苯基硼酸、丙烯酰胺和N,N-亞甲基雙丙烯酰胺的混合物制備。本發(fā)明的實施方式試圖利用由材料的物理和/或化學(xué)環(huán)境變化所致的材料聲學(xué)性質(zhì)變化來提供化學(xué)激活型機電傳感裝置。在一個實施方式中，水凝膠響應(yīng)于化學(xué)環(huán)境變化，優(yōu)選的是其中化學(xué)環(huán)境變化是pH變化。在本實施方式中，水凝膠通常是通過其粘彈性質(zhì)的變化而響應(yīng)于pH的聚合物。水凝膠的體積也會響應(yīng)于pH變化而變化。適于此目的的水凝膠材料是甲基丙烯酸羥乙基酯-甲基丙烯酸酯共聚物，其為甲基丙烯酸2-羥乙基酯與甲基丙烯酸酯的共聚物，優(yōu)選的是與一定量的二甲基丙烯酸乙二醇酯(也稱之為乙二醇二甲基丙烯酸酯)交聯(lián)。用于形成水凝膠的甲基丙烯酸酯的量通常為約6摩爾％，二甲基丙烯酸乙二醇酯的量通常為1.5摩爾％～7.5摩爾％。通常，具有多于3.5摩爾％二甲基丙烯酸乙二醇酯的水凝膠傾向于變得更堅硬且缺乏撓性。余量的甲基丙烯酸羥乙基酯為86.5摩爾％～92.5摩爾％。與常規(guī)的石英晶體微量天平不同，本發(fā)明的裝置可無線操作從而消除非盤形(non-disk)電極。與常規(guī)的5MHz工作頻率相比，這使得工作頻率擴展至6MHz～1.1GHz的范圍。此外，無線操作使得傳感裝置的諧振器和傳感器部件可以植入例如人類或動物對象。此時，檢測器可以遠(yuǎn)離諧振器和傳感器而體外操作。在另一實施方式中，水凝膠響應(yīng)于化學(xué)環(huán)境變化，其中化學(xué)環(huán)境變化是分析物濃度的變化。分析物可以是如糖等生理分析物。此類糖可包括葡萄糖、果糖、半乳糖和甘露糖。葡萄糖是特別重要的生理分析物，在如糖尿病等病癥以及發(fā)酵過程和活細(xì)胞新陳代謝中起重要作用。在一種設(shè)置中，水凝膠是含苯基硼酸基團的聚合物，該苯基硼酸基團通常為聚合物主鏈上的側(cè)基。優(yōu)選的是，所述聚合物是聚(丙烯酰胺-co-3-丙烯酰胺基苯基硼酸)。該聚合物能夠結(jié)合葡萄糖和其他糖，并認(rèn)為該聚合物的硼酸部分與糖的順式二醇結(jié)合。在一種設(shè)置中，本發(fā)明的傳感裝置是植入人類或動物對象的植入式設(shè)備的形式，其包括諧振器和傳感器。在該設(shè)置中，檢測器在體外響應(yīng)于傳感器，因而使得能夠以簡單的非侵入方式遠(yuǎn)程監(jiān)測如葡萄糖等生理分析物。因此，植入式設(shè)備為植入人類或動物對象而提供，并包括本發(fā)明所述的諧振器和傳感器，其中傳感器與諧振器機械連接。在遠(yuǎn)程感測受試對象生理狀態(tài)的方法中，檢測器可以與植入式設(shè)備一起使用，其中檢測器響應(yīng)于傳感器的傳感材料。受試對象的生理狀態(tài)的感測可包括對分析物的感測，例如，所述感測可以是連續(xù)監(jiān)測分析物濃度。與長期使用時穩(wěn)定性較差并且難以消毒進(jìn)行體內(nèi)應(yīng)用的市售酶類葡萄糖傳感器和監(jiān)測器不同，本發(fā)明的傳感設(shè)備耐用且易于植入合適的受試對象。在前文提到的裝置和方法的實施方法中，振幅的信號移動極大，可以是95％以上。因此易于檢測，并顯著簡化了傳感器儀器。也就是，觀察到非常大的信號變化使得儀器可以更簡單并且成本更低。例如，可以除去鎖相并且采用常規(guī)的靈敏性較低的電阻抗測量法。并且，本發(fā)明的實施方式與現(xiàn)有技術(shù)的設(shè)置相比對物理和化學(xué)變化更加靈敏。為了更好的理解本發(fā)明并顯示如何實施本發(fā)明，現(xiàn)將示例性地參考附圖，其中：圖1(a)顯示出處于由測量系統(tǒng)產(chǎn)生并監(jiān)測的電磁場中的水凝膠開關(guān)，其中檢測系統(tǒng)包括信號發(fā)生器、檢測器和與PC(未顯示)運行的LabVIEWTM連接的鎖相放大器——以o環(huán)和塑料元件(未顯示)將接觸溶液保留在水凝膠開關(guān)的上表面上；圖1(b)顯示出石英盤與涂覆10μm聚-HEMA水凝膠膜后的相同石英盤相比的基頻諧振峰——石英盤和水凝膠復(fù)合體的頂表面均處于pH3.5的溶液中；圖2顯示出三種不同的水凝膠-石英復(fù)合體的剪波諧振光譜之間的比較，表明在100MHz有顯著的衰減；圖3(a)顯示出水凝膠膜邊緣的相襯圖像，表明其厚度為約3μm；圖3(b)顯示出用水凝膠層涂覆石英感測器后基本諧波和三次諧波的頻移，水凝膠層起初以5μl單體混合物(盤1)、8μl單體混合物(盤2)、12μl單體混合物(盤3)和15μl單體混合物(盤4)制備；圖4顯示出接觸pH3.5和pH8后的同一水凝膠-石英復(fù)合體的聲諧振諧波——膜膨脹導(dǎo)致6.7MHz處的頻減，33MHz處的諧振中止和60MHz處的頻增；圖5(a)顯示出具有厚度更均勻的水凝膠膜的水凝膠-石英復(fù)合體的開關(guān)作用——pH3.5使開關(guān)在“開”狀態(tài)，而pH8使開關(guān)在“關(guān)”狀態(tài)；圖5(b)顯示出表示為以15秒間隔回描的一系列連續(xù)峰諧振的開關(guān)特性；圖6(a)顯示出pH校準(zhǔn)曲線，其描繪pH3.5的開狀態(tài)與pH8的關(guān)狀態(tài)之間的增量諧振軌跡變化；圖6(b)顯示出諧振的振幅和Q-因子相對于溶液pH的變化；圖7顯示出水性介質(zhì)中硼酸和順式二醇之間發(fā)生的可逆結(jié)合；圖8顯示出聚(丙烯酰胺-co-3APB)共聚物的化學(xué)結(jié)構(gòu)；圖9顯示出聚(丙烯酰胺-co-3APB)的pH曲線；圖10顯示出涂覆有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜的MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)振幅；圖11(a)顯示出具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜的MARS對葡萄糖溶液的響應(yīng)；圖11(b)顯示出MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)；圖12顯示出具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜的MARS對15mM葡萄糖的振幅變化差異；圖13顯示出對于pH4～10的變化，具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜的MARS相對于不同3-APB濃度的振幅變化曲線；圖14顯示出聚(丙烯酰胺-co-3APB)傳感器相對于3-APB的摩爾％在pH7.4的純緩沖液中的響應(yīng)與在pH7.4的10mM葡萄糖緩沖液中的響應(yīng)之間的ΔQ；圖15顯示出當(dāng)葡萄糖增量遞增時來自MARS的信號相對于交聯(lián)劑MBA濃度的振幅差；圖16(a)顯示出具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜的MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)振幅；圖16(b)顯示出當(dāng)葡萄糖濃度不大于7.5mM時響應(yīng)振幅與葡萄糖濃度成正比；圖17顯示出在pH7.4時，對于葡萄糖濃度從0～100mM的連續(xù)變56.圖18顯示出基于3-APB的MARS對于5mM果糖、葡萄糖、半乳糖和甘露糖溶液的響應(yīng)；和圖19顯示出MARS傳感器相對于3-APB摩爾％的振幅變化和(a)表觀pKa、(b)疏水性(測量為ΔΑ4)和(c)粘彈性(測量為ΔQ)的曲線。具體實施方式實施例1本文描述了基于復(fù)合型聲學(xué)諧振器的新型化學(xué)激活型機械開關(guān)。設(shè)備圖示于圖1中。提供平面螺旋線圈從而用電磁法激發(fā)由石英盤和基于pH敏感性甲基丙烯酸羥乙基酯-甲基丙烯酸酯共聚物的水凝膠聲學(xué)厚膜涂層制成的復(fù)合諧振器的諧波。螺旋線圈以及信號發(fā)生器、AM檢測器和鎖相放大器之間進(jìn)行同軸連接。檢測器采用差分二極管檢波電路以從信號發(fā)生器產(chǎn)生的較大激發(fā)信號中減去由線圈返回的射頻信號。為了傳回復(fù)合諧振設(shè)備的頻率、振幅和Q因數(shù)，采用LabViewTM軟件處理由譜圖收集的原始振幅和頻率數(shù)據(jù)點。用上述基于線圈的激發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行高達(dá)100MHz的聲諧振特性的測量，所述激發(fā)系統(tǒng)能夠在多重諧波頻率中保持強信號振幅。從信號發(fā)生器前面板選擇工作頻率并用于傳回各諧波諧振的聲學(xué)軌跡差，該聲學(xué)軌跡差又與水凝膠的化學(xué)性質(zhì)相關(guān)。在250μm厚AT石英盤上沉積的2.1μm厚水凝膠膜中觀察開關(guān)作用，在基頻(6.6MHz)于pH3.5激發(fā)，并于pH8終止，開/關(guān)的振幅比為500:1。發(fā)現(xiàn)通過波矢量(k)-膜厚(t)結(jié)果的雙曲正切函數(shù)(Tanh[kt])的自變量(argument)可很好地限定開關(guān)點，因此在不使用多參數(shù)擬合體系的情況下就可以測得膜彈性為5.8×105N/m2且剪波波速為24ms-1。該方法使得水凝膠的膨脹響應(yīng)大幅放大并且能夠確定膜的機械性質(zhì)。因此，提供了基于pH敏感性水凝膠的聲學(xué)剪波開關(guān)。為了使信號響應(yīng)最大化并大幅改進(jìn)所述方法中的諧振，有利的是對探針的諧振頻率進(jìn)行控制。同樣，為了使水凝膠膜易于操作和粘附，有利的是采用玻璃而不是通?？山?jīng)化學(xué)處理的金屬電極表面。因此，出于技術(shù)原因，基于簡單的線圈和裸露的石英基片的上述可調(diào)式設(shè)備是有利的。使用該通用模式，可以采用多種水凝膠材料和厚度。在本發(fā)明所述的實施方式中，當(dāng)鄰近多頻率石英晶體諧振器放置時，可利用可離子化的聚-HEMA水凝膠相對于pH的機械特性?？梢栽u估多頻率諧振器的電學(xué)特征及其檢測特性。理解水凝膠膜的形成及其與聲波間的相互作用是體系特性的另一個重要方面。因此，在本發(fā)明所用的方法中，獲得了沉積的水凝膠的相襯圖像并估算其厚度。此外，根據(jù)所選定的工作頻率來解釋體系的特性，并估算水凝膠諧振器設(shè)備相對于pH值的聲阻抗。難以確定水凝膠膜的厚度、密度、彈性和粘度，因為這些參數(shù)大都未知。例如，因水凝膠的柔軟性質(zhì)及其盤中厚度的潛在變化，難以確定厚度(不過，可以如下所述測量膜的厚度)。相反，確定彈性是否為厚度可能范圍的決定因素更為重要，更具體而言，確定是否可建立導(dǎo)致聲波打開或關(guān)閉的物理-化學(xué)條件。應(yīng)當(dāng)注意，所述體系在某些方面比含分子薄膜的那些體系更為復(fù)雜，因為厚度是聲波波長的重要部分。厚度變化在膜中產(chǎn)生聲相差，這顯著影響體系的總體特性。根據(jù)本實施方式制造的水凝膠盤復(fù)合體的寬頻聲學(xué)測量采用容易獲得的信號發(fā)生器和鎖相放大器，這些部件與先前用于粘性流體和蛋白質(zhì)吸附研究的部件相同。螺旋線圈為手繞式，而二極管檢測器于內(nèi)部構(gòu)建。一旦聲場在晶體中通過電致伸縮產(chǎn)生，則聲學(xué)特性與聚合物的水合狀態(tài)相關(guān)，而水合作用又取決于浴介質(zhì)的pH。已測量了晶體與厚水凝膠膜(彈性為“剛性”)的聲耦合，并且化學(xué)有關(guān)的彈性已與自身的開關(guān)特性相關(guān)。實例甲基丙烯酸2-羥基乙基酯(HEMA,97％)、二甲基丙烯酸乙二醇酯(EDMA，也稱之為乙二醇二甲基丙烯酸酯)、甲基丙烯酸(MAA)、二甲氧基苯基苯乙酮(DMAP)、2-丙醇和(甲基丙烯?；?三乙氧基硅烷由AldrichChemicalCo.(Gillingham，英國)提供。所有其他化學(xué)品均為分析級且由Sigma或Aldrich提供。鍍鋁的100μm厚聚酯膜(MET401級)購自HiFiIndustrialFilmLtd.(Stevenage，英國)。復(fù)合諧振器制備由HEMA(89摩爾％)、EDMA(交聯(lián)劑，5摩爾％)、MAA(6摩爾％)和等體積的2-丙醇制備單體混合物。然后添加光引發(fā)劑二甲氧基苯基苯乙酮(DMAP)至最終濃度為1％(重量/體積)。用1％(重量/體積)的甲基丙烯酸三甲氧基甲硅烷基丙基酯的丙酮溶液處理晶體過夜。將鍍鋁聚酯片放在平坦的玻璃板上，并用移液管移取約5μl的單體混合物以產(chǎn)生流體“珠”。將經(jīng)處理的石英盤放在單體混合物之上，并按壓以使其下部均勻涂覆有聚合物。通過在UV曝光單元產(chǎn)生的UV輻射(約350nm)中暴露15分鐘進(jìn)行UV引發(fā)的自由基聚合。聚合后，將盤從聚酯片的鍍鋁側(cè)剝離，聚酯片的鍍鋁側(cè)起到水凝膠-石英復(fù)合體用防粘層的作用。最后的步驟是在甲醇中徹底清洗復(fù)合體。螺旋線圈由得自RSElectronics(英國)的0.085mm漆包銅線制備DC電阻為1歐姆、電感為0.5mH且總直徑為5mm的平面螺旋線圈，并將該線圈連接至具有氰基丙烯酸酯粘合劑薄層的0.25mm厚環(huán)氧樹脂層壓板。為了設(shè)計有效的水凝膠傳感器，必須理解來源于檢測到的電信號的其聲阻抗變化與化學(xué)誘導(dǎo)的水凝膠動作變化的關(guān)系如何。水凝膠-盤的聲阻抗所研究的體系是由附著于附加的水凝膠諧振器(厚度、密度和粘彈性未知)的諧振板組成的復(fù)合諧振器。此外，存在接觸復(fù)合體上表面的第三液體層。復(fù)合體體系的聲阻抗通?？赏ㄟ^(1-4)描述：Gw＝2πfπω(3)其中k和t分別是層的波矢量和厚度，Zq、Zf和Gw是石英阻抗、水凝膠阻抗和水阻抗。這些阻抗的組合Zc表征復(fù)合諧振器，與第二款的等式2所表示的單獨諧振器不同。該分析顯示當(dāng)雙曲正切函數(shù)的自變量kt是π/2時，即當(dāng)水凝膠基質(zhì)中的化學(xué)擾動造成聲振幅和聲頻的極大移動時，水凝膠阻抗Zf會急劇變化。由于水凝膠尺寸不像石英板那樣可良好地界定，并表現(xiàn)出更大的尺寸和機械變化，因而可預(yù)計膜諧振僅發(fā)生在其中聲波陣面保持平面平行的較低諧波中。水凝膠化學(xué)水凝膠的聲阻抗源于由從溶液中吸水的親水性交聯(lián)共聚物層產(chǎn)生的總(aggregate)內(nèi)力。弱酸性羧基的存在使得凝膠根據(jù)浴介質(zhì)的pH而進(jìn)行水合作用的變化[Montheard,J.P.,M.Chatzopoulos和D.Chappard,2-EydroxythylMethacrylate(Hema)-Chemical-PropertiesandApplicationsinBiomedicalFields.JournalofMacromolecularScience-ReviewsinMacromolecularChemistryandPhysics,1992,C32(l):1頁～34頁]。有趣的是，厚度和彈性隨pH同時且連續(xù)變化。在這種情況下，pH因水合作用而改變厚度t，并且因已知彈性根據(jù)k＝ω√(pc)隨pH變化而改變k[Johnson,B.等，MechanicalpropertiesofapHsensitivehydrogel,2002年SEM年會論文，Milwaukee,WI]。這改變了膜聲阻抗(1)的自變量kt，并在整個雙曲正切中從聲學(xué)上顯著放大了pH變化。水凝膠盤復(fù)合體的檢測此項研究中所采用的聲學(xué)配置的具體特征[Stevenson,A.C.和C.R.Lowe,NoncontactexcitationofhighQacousticresonancesinglassplates.AppliedPhysicsLetters,1998.73(4):447頁～449頁][Sindi,H.S.,A.C.Stevenson和C.R.Lowe,Astrategyforchemicalsensingbasedonfrequencytunableacousticdevices.AnalyticalChemistry，2001.73(7):1577頁～1586頁]穿過氣隙與盤連接，使得在激發(fā)/檢測過程中不會施加機械或電擾動。與常規(guī)的硬連線的聲學(xué)設(shè)備不同，本發(fā)明的設(shè)備是場驅(qū)動的并以螺旋線圈檢測?？烧J(rèn)為激發(fā)/檢測過程包括兩個同步的行為。通過發(fā)生過程，源于信號發(fā)生器的射頻電流隨線圈的旋轉(zhuǎn)而流通。這些過程產(chǎn)生了鄰近的射頻磁場，其自身支持射頻電場。取決于線圈幾何布局(geometry)的場分布在電介質(zhì)材料的電介質(zhì)邊界產(chǎn)生作用，從而引發(fā)表面電流[Stevenson,A.C.和C.R.Lowe,Magnetic-acoustic-resonatorsensors(MARS):anewsensingmethodology.SensorsandActuatorsa-Physical,1999.72(1):32頁～37頁]或電荷[Stevenson,A.C等,Theacousticspectrophonometer:Anovelbioanalyticaltechniquebasedonmultifrequencyacousticdevices.Analyst,2003.128(10):1222頁～1227頁]。不同的邊界(例如分別接觸水和空氣的壓電性晶體的上表面和下表面)集中不同的電荷，如同通過電極施加電荷來驅(qū)動晶體動作[Stevenson,A.C.等，Hypersonicevanescentwavesgeneratedwithaplanarspiralcoil.Analyst,2003.128(9):1175頁～1180頁],[Thompson,M.等,Electromagneticexcitationofhighfrequencyacousticwavesanddetectionintheliquidphase.Analyst,2003.128(8):1048頁～1055頁]。也進(jìn)行相反的過程，使該動作反轉(zhuǎn)，導(dǎo)致所引發(fā)的電流回到線圈中。最終結(jié)果是水凝膠化學(xué)的變化立即轉(zhuǎn)換為機械變化，這會影響聲剪切振動，并且由于上述原因，影響所測量的電信號。電阻抗觀察體系的另一種方法是假設(shè)電信號的放大取決于與電磁場分布(與線圈和周圍電介質(zhì)有關(guān))相關(guān)的轉(zhuǎn)換功能。頻移和聲學(xué)Q因數(shù)的變化可以直接由等式(1)確定，并與測得的電學(xué)Q因數(shù)和頻移相關(guān)。假定可實現(xiàn)厚膜諧振條件，則模型預(yù)計當(dāng)膜的厚度、頻率和彈性在kt中達(dá)到π/2移動時，將觀察到膜的聲阻抗的顯著變化。對能夠獲得零諧振和厚膜諧振之間的化學(xué)引發(fā)轉(zhuǎn)換的條件和方案特別感興趣。盤-水凝膠諧振的檢測檢查板在水中的基頻諧振，然后附著水凝膠，使諧振器的頻率和Q降低(圖1)。在兩組測試中均選擇pH3.5，因為在此條件下水凝膠更緊密和穩(wěn)定[Marshall,A.J.等,PH-sensitiveholographicsensors.AnalyticalChemistry，2003.75(17):4423頁～4431頁]。附著水凝膠使得水凝膠中發(fā)生額外的能量損失過程，因此Q因數(shù)下降。從在周圍流體中“擺動”的具有較開放移動結(jié)構(gòu)的體系出發(fā)，超出預(yù)料的是，水凝膠基質(zhì)似乎是更“耗能”的聲學(xué)材料。所產(chǎn)生的衰減使諧振頻率下調(diào)并降低Q因數(shù)。作為選擇，可能膜厚度變化(可能比在石英盤中大得多)避免了相位相干，因而降低了諧振Q因數(shù)。厚度的確定采用相襯顯微鏡單獨測量膜厚度，因為膜厚度對于確定復(fù)合體的諧振特性非常重要。顯微鏡的非侵入特征避免了水凝膠膜的任何毀壞，而用如Dektac等接觸式輪廓儀則可能會發(fā)生毀壞。不過，重要的是所測量的膜為透明的，從而利用相稱顯微鏡進(jìn)行輪廓測定。該測定工序必須進(jìn)行從石英晶體的裸表面到水凝膠的上表面成像的步驟。有效的是，描繪膜邊界的等值線圖，其中各等值線通過固定間隔周期來分離(圖3a)。已知聚-HEMA共聚物的介電常數(shù)為1.5，且光源的波長為600nm，可以由等值線圖估算移取體積為10μL時，膜厚度為2.1μm。在用紫外線進(jìn)行交聯(lián)前將含不同體積單體混合物的四個單獨的設(shè)備移取在晶體上，以便根據(jù)Martin的定義[Anal.Chem.2000,72,141～149]評價膜是否為聲學(xué)厚膜。圖3b顯示了裸諧振盤與水凝膠涂覆的諧振盤之間的頻移大致為線性，而與施加的體積無關(guān)。發(fā)現(xiàn)測得的頻移大于由光學(xué)厚度計算的Sauerbrey類頻移，表明跨膜聲學(xué)相移顯著。這些測量證實了所施加的水凝膠膜是“厚”膜。水凝膠-盤譜圖為了引發(fā)不同的聲學(xué)相移而不改變化學(xué)性或設(shè)備幾何布局，調(diào)節(jié)頻率使其在pH3.5時于一定頻率范圍中傳回一系列諧波(圖2)?？傊?，發(fā)現(xiàn)諧振振幅隨頻率增大而急劇下降，難以分辨高于100MHz的諧波。該特性可歸因于材料阻尼和膜厚度的變化。通過記錄聲圖變化(包括其頻率、振幅和Q因數(shù))，研究了pH從3.5變?yōu)?對于最初五次諧波的影響?；l時(圖4中的第一幅圖)，觀察到厚度增加的膜所特有的頻率下移。該響應(yīng)是由于在較高的pH值下，水凝膠基質(zhì)因聚合物結(jié)合的羧基離子化、吸引反荷離子和水而發(fā)生水合，因此聚合物相膨脹且厚度增加。在33MHz諧波，沒有明顯的頻移，因為諧振峰完全消失(圖4中的第二幅圖)。不過，在更高的頻率，頻移圖案反轉(zhuǎn)(圖4中的第三幅圖)。與pH8較厚的水凝膠膜相關(guān)的頻率上移。據(jù)信，該特性是當(dāng)跨膜聲學(xué)相移足以支持膜自身中的諧振時厚膜特性的一個例子。該特性可歸因于膜脫離盤諧振，使得支持駐波諧振的主要反射邊界位于盤的下表面和盤-水凝膠界面之間，而不是在盤和水凝膠-水界面之間。上述實施例闡明了諧波(特別是33MHz諧波)可以開關(guān)轉(zhuǎn)換。然而，對于合適的聲學(xué)傳感器厚層，任何頻率(基頻或諧波)都可用于實現(xiàn)開關(guān)特性。開關(guān)作用對于具有厚膜的復(fù)合諧振器，開關(guān)作用是最受關(guān)注的特征。此時，開狀態(tài)和關(guān)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)變具有極高反差?；l的良好開關(guān)特性的實例圖示于圖5a中，其中當(dāng)pH從3.5變?yōu)?時峰完全消失。圖5b圖示了開關(guān)是可逆的。該實例中的諧振峰以連續(xù)的逐時方式重復(fù)收集。曲線的左側(cè)表示隨時間的推移重復(fù)收集同樣的峰。添加pH8緩沖液后，在約10秒內(nèi)峰完全消失，而再次處于pH3.5，傳回了原來的峰，表明水凝膠-盤復(fù)合體的彈性特性是可逆的。起初可獲得開關(guān)作用的原因是因為在低剪切波速下膜中產(chǎn)生極短的聲波波長，據(jù)估計為約24ms-1。該值與單獨測得的聚-HEMA水凝膠的值15ms-1相當(dāng)。此外，由于開關(guān)點處水凝膠中的聲波波長經(jīng)良好界定，因此由c＝ρ.V2可以計算pH8時聚-HEMA的彈性為5.8×105N/m2，與“軟”聚合材料的機械性質(zhì)相符。校準(zhǔn)曲線為了明確開關(guān)轉(zhuǎn)換的各階段，對復(fù)合諧振器進(jìn)行pH的增量變化。諧振器進(jìn)行可逆的開關(guān)轉(zhuǎn)換，在pH8諧振完全中止。聲諧振圖中的這些變化以及振幅隨pH的變化示于圖6a中。諧振振幅和Q因數(shù)的相應(yīng)變化示于圖6b中。數(shù)據(jù)顯示顯著的諧振阻尼，表明能量通過水凝膠中的內(nèi)部吸收而從石英元件中收回。Q因數(shù)和振幅聲學(xué)圖中轉(zhuǎn)折點的位置可通過取代不同的離子化基團來預(yù)計，如先前報道的衍射光柵所證明的那樣。化學(xué)驅(qū)動型機械開關(guān)可由包含石英盤和其上的水凝膠膜的復(fù)合諧振體構(gòu)成。當(dāng)使用適當(dāng)頻率和多頻率聲學(xué)設(shè)備時，膜在厚膜諧振條件下工作時發(fā)生該開關(guān)作用，其中聲相是90度，水凝膠膜厚2.1μm。對水凝膠的彈性變化的靈敏性在開關(guān)條件下也顯著增強。此外，該技術(shù)不僅有助于選擇合適的單體、交聯(lián)劑和共聚物比以提供機械響應(yīng)性聲學(xué)或光學(xué)水凝膠，而且如果膜較薄并在高頻下探測，其還可以起到用于研究聲學(xué)領(lǐng)域中蛋白質(zhì)(proteinacious)膜動力學(xué)的化學(xué)類開關(guān)組件的作用。實施例2下面描述能夠遠(yuǎn)程監(jiān)測葡萄糖濃度的葡萄糖傳感器。在室溫通過UV引發(fā)的自由基聚合用N,N-亞甲基雙丙烯酰胺(MBA)作為交聯(lián)劑合成3-丙烯酰胺基苯基硼酸(3-APB)和丙烯酰胺的葡萄糖靈敏性共聚物。聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的pKa為約8.6，但葡萄糖結(jié)此處所述的主要方法是將葡萄糖響應(yīng)型聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜融入磁聲諧振傳感器(MARS)中并研究傳感裝置對溶液中葡萄糖濃度變化的響應(yīng)。硼酸與順式二醇的絡(luò)合硼酸和順式二醇之間的可逆結(jié)合示于圖7中，該結(jié)合是pH依賴型的。聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的化學(xué)結(jié)構(gòu)示于圖8。在低pH下，硼酸是不帶電荷的三角結(jié)構(gòu)狀態(tài)，當(dāng)其帶電并且pH增加時轉(zhuǎn)變?yōu)樗拿骟w狀態(tài)。在四面體形式中，硼酸對于順式二醇的親和力高于三角結(jié)構(gòu)形式，三角結(jié)構(gòu)下其與順式二醇的絡(luò)合物更容易水解。葡萄糖包含順式二醇結(jié)構(gòu)。葡萄糖與聚合物所帶的苯基硼酸基團結(jié)合的兩種潛在機理包括：1:1單體結(jié)合和1:2交聯(lián)結(jié)合。等摩爾的1:1結(jié)合導(dǎo)致聚合物膜的膨脹，而1:2結(jié)合導(dǎo)致收縮。聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜的pH響應(yīng)由于聚(丙烯酰胺-co-3-APB)是pH敏感性的，并且葡萄糖與四面體型3-APB的絡(luò)合物比三角結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定，因此研究了聚合物膜在不同pH的特性。確定并測量聚合物的pH滴定曲線，并由pH曲線計算pKa值。合成共聚物的過程與聚(HEMA-co-MAA)的合成幾乎相同，不同之處在于對UV曝光30分鐘。預(yù)聚物溶液由500μl溶劑(含2％(重量/體積)光引發(fā)劑DMPA的DMSO)中的5mol/l單體構(gòu)成。緩沖體系是乙酸(pH4、4.5、5、5.25和5.5)、MES(pH5.75、6、6.5)、磷酸鹽(pH7、7.5、8)、三羥甲基氨基甲烷(Tris,pH8.5)、甘氨酸(pH9)、CHES(pH10)和磷酸鹽(pH12)。緩沖液濃度為10mM，離子強度用氯化鈉固定為154mM。隨著緩沖液的pH值增加，聚(丙烯酰胺-co-3-APB)逐漸帶電。聚合物和其周圍的水性介質(zhì)之間存在多納(Donnan)電位，驅(qū)使水進(jìn)入水凝膠并使水凝膠膨脹。同時，滲透效應(yīng)也導(dǎo)致聚合物的水合作用。圖9顯示了在6MHz收集的pH曲線，其中聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜含78.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和20摩爾％3-APB。計算出的表觀pKa值為8.47。具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的MARS對葡萄糖的響應(yīng)葡萄糖結(jié)合導(dǎo)致的表觀pKa降低圖9顯示了6MHz時含78.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和20摩爾％MAA的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的pH曲線；由該曲線計算出的表觀pKa值為8.47。圖9中，聚(丙烯酰胺-co-3-APB)聚合物在生理pH7.4幾乎為中性，其中約91.5％的3-APB側(cè)基為三角形構(gòu)型并且與葡萄糖結(jié)合較弱。在上面所列的緩沖液中配制5mMD-(+)-葡萄糖溶液以評估經(jīng)涂覆諧振器在不同pH值對葡萄糖溶液的響應(yīng)。6MHz的pH曲線負(fù)向移動，并且表觀pKa值由8.47(圖9)降低為8.02。此時，在pH7.4下，24％比例的硼酸基團已變?yōu)殛庪x子并且為四面體型。如圖7所示，由于葡萄糖與三角結(jié)構(gòu)3-APB的結(jié)合較弱，因此通過溶液中的質(zhì)子濃度以及葡萄糖與四面體型3-APB之間的結(jié)合來確定了中性3-APB的解離。MARS的葡萄糖響應(yīng)的校準(zhǔn)用與圖9中所示相同的聚合物校準(zhǔn)葡萄糖響應(yīng)型聚(丙烯酰胺-co-3-APB)MARS對緩沖溶液中葡萄糖濃度的響應(yīng)。在pH7.4的10mMPBS緩沖液中配制葡萄糖溶液。葡萄糖濃度為0～15mM，增幅為2.5mM。圖10顯示了涂覆有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜(78.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和20摩爾％3-APB)的MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)振幅；在20MHz下對0～15mM的葡萄糖溶液進(jìn)行三次測試獲得響應(yīng)數(shù)據(jù)。圖10顯示來自MARS的信號振幅與0～15mM范圍內(nèi)的葡萄糖濃度幾乎成線性正比例關(guān)系。當(dāng)葡萄糖濃度高于7.5mM時誤差較為明顯。葡萄糖計的靈敏度為約87.07mV/mM。據(jù)信，高葡萄糖濃度下的較大誤差是由于硼酸和葡萄糖分子之間的1:1結(jié)合模式和2:1交聯(lián)模式之間的轉(zhuǎn)化。收集圖10所示的數(shù)據(jù)：用純PBS緩沖液將涂覆在石英盤上的聚合物清洗三次，并在同樣條件下再次測試。圖11(a)顯示20MHz時具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜(78.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和20摩爾％3-APB)的MARS對葡萄糖溶液(0mM～15mM，pH7.4的PBS緩沖液)的三次響應(yīng)；圖11(b)分別繪制了三次測試相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)結(jié)果。在圖11(b)中，注意到聚(丙烯酰胺-co-3-APB)MARS對含高于10mM葡萄糖的葡萄糖溶液的響應(yīng)在后兩次測試中略大于第一次測試，而由第二次測試和第三次測試獲得的響應(yīng)則是相似的。這可能是由于聚合物網(wǎng)絡(luò)的孔徑在第一次測試時被葡萄糖分子擴大，葡萄糖獲得了更容易進(jìn)入聚合物的途徑并隨后使水凝膠膨脹。葡萄糖傳感器中3-APB濃度的優(yōu)化MARS的靈敏性足以檢測緩沖溶液中葡萄糖濃度的微小變化。響應(yīng)(信號的振幅)與葡萄糖濃度之間的關(guān)系大致為線性(圖10)；然而，為了增強響應(yīng)，對聚合物膜的組成進(jìn)行優(yōu)化。不同3-APB濃度對葡萄糖的響應(yīng)研究了具有不同摩爾％3-APB的聚合物對葡萄糖的響應(yīng)。葡萄糖溶液體系與上述相同，振幅變化(ΔΑ)定義如下：ΔA015＝振幅(15mM葡萄糖)-振幅(0mM葡萄糖)(20MHz)圖12顯示在20MHz相對于不同3-APB濃度，具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜的MARS對15mM葡萄糖的ΔA015；對各摩爾％測試了三個樣品。振幅變化(ΔA015)相對于3-APB摩爾％的曲線呈鐘型(圖12)。對于約20摩爾％的3-APB觀察到最大響應(yīng)，并且響應(yīng)隨著更多的3-APB加入聚合物中而下降。表12中的結(jié)果與聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的離子化(與3-APB的摩爾％有關(guān))的貢獻(xiàn)以及葡萄糖進(jìn)入聚合物網(wǎng)絡(luò)的可達(dá)性(與聚合物網(wǎng)絡(luò)的孔徑和親水性/疏水性有關(guān))相關(guān)。在存在不同葡萄糖濃度時，聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的離子化取決于聚合物膜的表觀pKa或葡萄糖所致的表觀pKa變化。表1中計算了聚(丙烯酰胺-co-3-APB)相對于摩爾％3-APB的表觀pKa(20MHz)；當(dāng)3-APB的濃度<20摩爾％時，表觀pKa變化不顯著，但在更高的摩爾％，表觀pKa增加。含>20摩爾％的3-APB的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的高表觀pKa，即低程度的離子化可以解釋圖12中ΔA015響應(yīng)的下降。表1：46MHz時具有不同3-APB濃度的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)(三個樣品)的表觀pKa值*STD：標(biāo)準(zhǔn)偏差葡萄糖結(jié)合所致的pKa值變化由于具有較低表觀pKa的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)包含更多的四面體型硼酸并且可在生理pH值捕獲更多的葡萄糖，因此研究了聚(丙烯酰胺-co-3-APB)因葡萄糖結(jié)合所致的表觀pKa變化的3-APB濃度依賴性。分別配制了具有15摩爾％、20摩爾％、25摩爾％和30摩爾％3-APB的聚合物，并收集響應(yīng)于pH4～10的純緩沖液的pH曲線。在存在5mM葡萄糖下再次記錄pH曲線。對于四種聚合物膜，pKa變化分別為-0.52、-0.32、-0.66和-0.46。3-APB的摩爾％對聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的親水性/疏水性的影響3-APB聚合物的親水性/疏水性可通過觀察pH從10變化到4時的吸水所致的振幅變化來分析。振幅(ΔA410)定義為：ΔA410＝振幅(pH10)-振幅(pH4)(20MHz)圖13顯示在20MHz含聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜的MARS對pH變化(pH4～10)相對于不同3-APB濃度的ΔA410；對各摩爾％分析了三個樣品。收集具有不同3-APB濃度(5～30摩爾％，增幅為5摩爾％)的聚合物的pH響應(yīng)。圖13圖示了相對于共聚物中3-APB百分比的振幅變化。當(dāng)聚合物含20摩爾％3-APB時振幅變化最大；當(dāng)3-APB的摩爾％>20摩爾％時，聚合物膜膨脹較小。理論上，3-APB的密度增加可提高多納電位和滲透效應(yīng)，因而更多的水會進(jìn)入聚合物網(wǎng)絡(luò)。然而，3-APB的疏水性阻礙了水和葡萄糖同時進(jìn)入水凝膠。所以在20摩爾％時，滲透效應(yīng)和疏水效應(yīng)達(dá)到平衡。因此，提出了聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的親水性/疏水性是確定聲學(xué)葡萄糖傳感器的靈敏性的主要因素。3-APB的摩爾％對聚合物粘彈性的影響聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物的膨脹能力也影響葡萄糖分子滲入聚合物并且由涂覆有聚合物的傳感器的Q因數(shù)來定性地限定。如上所述，聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物在MARS的高工作頻率時表現(xiàn)為彈性材料；與水或葡萄糖的氫鍵合會增強聚合物的彈性并提高Q因數(shù)。聚(丙烯酰胺-co-3-APB)傳感器的Q因數(shù)在<約140MHz時隨工作頻率成正比例增加，隨后在高于140MHz時飽和；例如，具有15摩爾％3-APB的聚合物在飽和水平下的Q因數(shù)為約3250，而具有20摩爾％3-APB的聚合物的Q因數(shù)為約2000，具有30摩爾％3-APB的聚合物膨脹較小且Q因數(shù)為約900。Q因數(shù)隨工作頻率的增加可能是由于穿透并在聚合物中消散的聲能較小，同時聚合物的彈性增大也是可能原因。高頻時，聲能集中在聚合物-石英界面處，并且聚合物的粘彈性達(dá)到平衡，因此，Q因數(shù)在頻率>140MHz時飽和。還觀察了相同聚合物在pH7.4的10mM葡萄糖磷酸鹽緩沖液中的膨脹特性。在此情況下，含15摩爾％3-APB的相應(yīng)聚合物Q因數(shù)的飽和水平為約4000，含20摩爾％3-APB的聚合物為約3000，含30摩爾％3-APB的聚合物膨脹較小且Q因數(shù)為約1500。聚合物在純緩沖液和10mM葡萄糖溶液中的Q因數(shù)差(ΔQ)為：15摩爾％3-APB為750，20摩爾％3-APB為1000，30摩爾％3-APB為600。相對于3-APB摩爾％的飽和水平的ΔQ示于圖14中，其顯示了聚(丙烯酰胺-co-3-APB)傳感器相對于3-APB的摩爾％在純pH7.4緩沖液和pH7.4的10mM葡萄糖溶液中的響應(yīng)之間的ΔQ。圖14的結(jié)果表明：葡萄糖結(jié)合增強了聚合物的彈性，在20摩爾％3-APBA和25摩爾％3-APBA之間觀察到最佳效果。除了聚合物的親水性/疏水性外，聚合物網(wǎng)絡(luò)的膨脹能力和孔徑也影響葡萄糖傳感器的靈敏性。圖12中曲線的前半部分反映出葡萄糖聚合物的靈敏度與苯基硼酸基團的濃度成正比例，后半部分表明聚合物的靈敏性還由網(wǎng)絡(luò)的親水/疏水性平衡、粘彈性和孔徑確定。3-APB聚合物中交聯(lián)摩爾％的優(yōu)化據(jù)信，水凝膠網(wǎng)絡(luò)的孔徑和粘彈性也影響葡萄糖傳感器的性能，其中位阻可能起重要作用。根據(jù)上述結(jié)果，當(dāng)3-APB濃度為20摩爾％時，達(dá)到最大響應(yīng)(ΔA015)。通過將3-APB的百分比保持為20摩爾％并分別監(jiān)測聚合物含0.5摩爾％、1.5摩爾％和2.5摩爾％MBA時的響應(yīng)來研究交聯(lián)的影響(圖15)。圖15顯示參照溶液(葡萄糖濃度為0mM)和葡萄糖濃度為15mM的情況下來自MARS的信號相對于交聯(lián)劑MBA濃度的振幅差。圖15顯示在0～15mM的濃度范圍內(nèi)以2.5mM的增幅連續(xù)注入葡萄糖緩沖溶液。圖15中的結(jié)果表明降低交聯(lián)劑的摩爾％并不會有助于增強聚(丙烯酰胺-co-3-APB)傳感器對葡萄糖的靈敏度。也采用ΔQ研究在接觸10mM葡萄糖溶液時，交聯(lián)范圍為0.5～2.5摩爾％的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物的膨脹特性。5.7高血糖癥和低血糖癥的檢測于糖尿病患者，血糖濃度上升到遠(yuǎn)高于正常濃度(約4.4mM)的水平(高血糖癥)，而當(dāng)患者不適當(dāng)?shù)胤昧艘葝u素時，血糖水平會降至低于正常水平(低血糖癥)。因此，應(yīng)當(dāng)測量葡萄糖傳感器的有效工作范圍。在pH7.4的PBS緩沖液中配制濃度為0、2.5mM、5mM、7.5mM、10mM、12.5mM、15mM、20mM、40mM、60mM、80mM和100mM的葡萄糖溶液。聚合物膜由83.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和15摩爾％3-APB組成。圖16顯示：(a)具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜(83.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和15摩爾％3-APB)的MARS相對于葡萄糖濃度(0～100mM)的響應(yīng)振幅，利用SigmaPlot擬合為指數(shù)方程；(b)當(dāng)葡萄糖濃度≤7.5mM時響應(yīng)振幅與葡萄糖濃度成正比。如圖16所示，MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)在20mM以上變?yōu)轱柡?。因此，基于MARS的葡萄糖傳感器的有效工作范圍為0～20mM，并且低于7.5mM時響應(yīng)振幅與葡萄糖濃度基本上成正比(圖16)。圖16(a)所示數(shù)據(jù)擬合為指數(shù)方程，其表明MARS傳感器相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)可能遵循指數(shù)上升模式。圖17顯示對于0～100mM葡萄糖濃度的響應(yīng)時間，高于20mM的葡萄糖，響應(yīng)時間<10分鐘。圖17顯示在pH7.4時具有聚(丙烯酰胺-co-3APB)膜(83.5摩爾％丙烯酰胺、1.5摩爾％MBA和15摩爾％3-APB)的MARS對于葡萄糖濃度從0～100mM連續(xù)變化的響應(yīng)時間。圖16中觀察到的葡萄糖濃度>20mM時的飽和水平以及3-APB含量>20摩爾％時的響應(yīng)時間減小(圖17)可能與聚合物網(wǎng)絡(luò)的膨脹有關(guān)。水凝膠在含高葡萄糖濃度的溶液中膨脹得更多，這反而有利于葡萄糖溶液的滲入。然而，由于聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物是交聯(lián)的，網(wǎng)絡(luò)的膨脹能力有限，因此，圖16中所達(dá)到的飽和水平可能對應(yīng)于膨脹限度，以及葡萄糖與芳香族硼酸的絡(luò)合物的位阻效應(yīng)。電場對葡萄糖響應(yīng)的影響根據(jù)上述研究，工作頻率影響葡萄糖傳感器所測量的表觀pKa值。為了了解葡萄糖傳感器在寬聲譜范圍內(nèi)的性能，引入了聚合物刷理論和局部pKa的概念。在該研究中，通過確定傳感器的有效檢測范圍研究了葡萄糖傳感器的性能如何受工作頻率的影響。聚合物的組成為：丙烯酰胺78.5摩爾％、交聯(lián)劑MBA1.5摩爾％和3-APB20摩爾％，發(fā)現(xiàn)在6MHz～73MHz的頻率范圍內(nèi)MARS相對于葡萄糖濃度的響應(yīng)彼此頗為相似。因此，工作頻率對具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)膜的MARS響應(yīng)的影響可以忽略不計。糖檢測基于全息傳感器的在前研究表明葡萄糖分子以兩種途徑與苯基硼酸基團結(jié)合：1:1單體結(jié)合和1:2交聯(lián)結(jié)合。化學(xué)計量1:1結(jié)合導(dǎo)致聚合物膜的膨脹，而1:2的化學(xué)計量導(dǎo)致收縮。葡萄糖有五種化學(xué)結(jié)構(gòu)：研究葡萄糖的異構(gòu)體以了解苯基硼酸與順式二醇之間結(jié)合的機制。此外，除了葡萄糖，血液中所含的最大量的糖是果糖和半乳糖。在10mMPBS緩沖液中配制果糖、半乳糖和甘露糖溶液(5mM)，在生理pH下離子強度為154mM。具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物膜的石英盤在三種糖溶液中達(dá)到平衡，并在測量之間，用磷酸鹽緩沖液對膜進(jìn)行清洗至響應(yīng)恢復(fù)到參照水平(磷酸鹽緩沖液)圖18顯示了β-D-呋喃果糖、α-D-吡喃半乳糖和β-D-吡喃甘聚合物對果糖的響應(yīng)顯著大于對其他糖的響應(yīng)，與參照相比的振幅變化為362.95mV(圖18)。對葡萄糖、半乳糖和甘露糖的響應(yīng)較小其三者彼此相對類似。葡萄糖的ΔΑ是52.25mV，半乳糖為30.15mV，甘露糖為15.2mV。對果糖的強響應(yīng)可歸因為順式二醇對硼酸的親和力以及有效異構(gòu)體的比例。已報道了果糖與其他三種糖相比，對硼酸具有更高的親和力。討論與結(jié)論已將合成的苯基硼酸、3-丙烯酰胺基苯基硼酸(3-APB)加入MARS從而產(chǎn)生葡萄糖選擇性傳感器，因為MARS受RF電場無線激發(fā)，所以該傳感器構(gòu)成了用于開發(fā)植入式連續(xù)葡萄糖檢測儀的有前景的替代方式。3-APB是苯基硼酸衍生物，其與丙烯酰胺的共聚物可在生理pH響應(yīng)葡萄糖。由于酶的變性降低了傳感器的穩(wěn)定性和靈敏性，因此通過將傳統(tǒng)的酶葡萄糖氧化酶替換為合成的苯基硼酸酯配體，葡萄糖傳感器的性能會更加耐用且可逆。還認(rèn)為合成的葡萄糖響應(yīng)型水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)體內(nèi)葡萄糖-胰島素閉環(huán)系統(tǒng)。靈敏性、重復(fù)性、選擇性和響應(yīng)時間是葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)的重要參數(shù)。已經(jīng)研究了具有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)共聚物膜的MARS對葡萄糖的響應(yīng)以及葡萄糖在聚合物膜中結(jié)合的機制。涂覆有聚(丙烯酰胺-co-3-APB)吸附層(adlayer)的MARS對葡萄糖的靈敏度主要通過3-APB的濃度、聚合物的疏水性和粘彈性來確定(圖19)。圖19(a)顯示相對于3-APB的摩爾％，MARS傳感器的ΔA015)和聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的表觀pKa值；(b)相對于3-APB的摩爾％，MARS傳感器的ΔA015)和聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的ΔA412；(c)相對于3-APB的摩爾％，MARS傳感器的ΔA015)和聚(丙烯酰胺-co-3-APB)的ΔQ?？傊?，對基于MARS的新型葡萄糖傳感器系統(tǒng)進(jìn)行了初步研究。因結(jié)合葡萄糖導(dǎo)致的聚(丙烯酰胺-co-3-APB)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的粘彈性的變化可通過MARS測量，并且可校正相應(yīng)的葡萄糖水平。葡萄糖監(jiān)測系統(tǒng)具有良好的可逆性和重復(fù)性。傳感器的靈敏度平均為約87.07mV/mM。結(jié)果表明MARS可以是用于研究極薄聚合物膜的物理性質(zhì)和開發(fā)智能型聚合物類生物傳感器的通用平臺。雖然已參照本發(fā)明的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進(jìn)行了具體的展示和描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可對本發(fā)明的形式和細(xì)節(jié)進(jìn)行各種改變而不背離所附權(quán)利要求限定的本發(fā)明的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3