CN105579771A - 硼酸根检测组合物和分析溶液 - Google Patents

Abstract

描述了一种用于测定溶解的硼酸根浓度的组合物和分析溶液，其包含邻苯二酚染料、增溶剂、和缓冲剂。组合物和分析溶液还可以包含增溶剂。邻苯二酚染料用作化学硼酸根传感器。化学硼酸根传感器在结合至硼酸根时改变其光学性能。多价阳离子螯合剂结合所分析样品中存在的多价阳离子。缓冲剂防止pH变化。增溶剂帮助溶解邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂和/或缓冲剂。

Description

硼酸根检测组合物和分析溶液

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月30日提交的未决美国临时专利申请第61/860,220号和2014年3月25日提交的未决美国临时专利申请第61/970,194号的权益，其每一个都通过引用以其整体并入本文。

技术领域

本发明涉及环境化学和定量化学分析。

相关技术说明

Campana等人在Analyst1992年7月第117卷描述了利用茜素红S(AlizarinRed.S)用于测定土壤、植物和天然水中的硼的荧光光谱定量方法。方法采用荧光分光光度计以用于荧光定量检测。该方法测量硼-茜素红S复合物的荧光激发和发射光谱以测定硼浓度。

Campana等人在Analyst(1994年8月第119卷)描述了用于在十六烷基三甲基溴化铵存在下利用茜素红S进行钼的荧光光谱定量测定的方法。该方法测量MO-ARS复合物的荧光激发和发射光谱。

Arimori等人在ChemicalCommunications(2001年，第2018-2019页)描述了用于硼酸化物或硼酸的荧光传感器。传感器包括蒽类叔胺作为传感器分子。

Villamil-Ramos和Yatsimirsky在ChemicalCommunications(2011年，第2694-2696页)描述了通过与茜素红S-二甲基锡(IV)复合物相互作用来荧光定量检测焦磷酸盐的方法。该检测方法通过在610nm处的荧光测量二甲基焦磷酸锡(IV)-ARS复合物。

Tomsho和Benkovic在TheJournalofOrganicChemistry(2012年第77卷，第2098-2106页)描述了苯基硼酸与茜素红S硼酸之间或硼酸根阴离子与1,2-二醇形成硼酸酯的反应机制，可以测量其荧光。

发明内容

描述了一种包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂和缓冲剂的用于测定溶解的硼酸根浓度的组合物和分析溶液。在一些实施方案中，组合物还包含增溶剂。邻苯二酚染料用作化学硼酸根传感器。化学硼酸根传感器在结合至硼酸根后改变其光学性能。多价阳离子螯合剂结合在被分析样品中存在的多价阳离子。缓冲剂防止pH变化。在一些实施方案中，缓冲剂在水中呈现出大于200g/L的溶解度。在具体的实施方案中，增溶剂增加染料、多价阳离子螯合剂和/或缓冲剂的溶解度。在一个实施方案中，用于硼酸根浓度测定的可操作的pH范围是约6至约8。在其他实施方案中，用于硼酸根浓度测定的可操作的pH范围是约4至约12。在具有高的总溶解固体的水中硼酸根浓度是可测量的。

在一些实施方案中，邻苯二酚染料是茜素红S。在一些实施方案中，多价阳离子螯合剂是EDTA。在一些实施方案中，缓冲剂是咪唑。在优选的实施方案中，EDTA结合被分析样品中存在的金属。在其他实施方案中，EDTA使测量的硼酸根浓度的误差最小化。在又一实施方案中，茜素红S与硼酸根反应形成复合物1-BO4。在一些实施方案中，在具有高的总溶解固体的水中硼酸根浓度是可测量的。

在本发明的一些方面，增溶剂是环糊精。在具体的实施方案中，环糊精是α-环糊精。在其他实施方案中，环糊精是β-环糊精。在其他实施方案中，环糊精是γ-环糊精。在进一步的实施方案中，环糊精是烷基化环糊精。在具体的实施方案中，环糊精是羟丙基β-环糊精。在其他实施方案中，增溶剂可以是表面活性剂、冠醚、聚乙二醇或其他赋形剂。在一些实施方案中，增溶剂以1％至10％存在。

分析溶液可以包括分配到多孔板中的溶液。分析溶液包括经冷冻干燥的溶液。描述了用于测定溶解的硼酸根浓度的试剂盒，其在包括多个测试位置的容器、优选96孔板中包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂、增溶剂和缓冲剂。试剂盒包含所述分析溶液。描述了测定水中硼酸根浓度的方法，其包括使样品与根据权利要求1-27所述的组合物中的任一种或根据权利要求28至57的分析溶液中的任一种接触，并测定样品中硼酸根的浓度。在一些实施方案中，方法包括采用本发明的分析溶液和荧光检测器。在一些实施方案中，用于硼酸根浓度测定的样品是水性样品。硼酸根浓度可测定的其他非限制性类型的样品包括土壤和其他固体、凝胶、浆状物、悬浮液、组织等。

本领域技术人员认识到不同化合物的浓度会根据检测器而定。本领域技术人员认识到获得线性响应所需要的浓度会变化。

可以调节浓度，并且可以调节检测器路径长度。例如路径长度的下降会使得浓度增加。增加路径长度会使得浓度下降。

提供了上述实施方案和其他实施方案相关的细节。

附图说明

下列附图以举例而非限制的方式举例说明。为了简要和清楚，不是给定结构的每个特征都会在该结构出现的每个图中标出。相同的引用编号不一定指示相同的结构。更确切地说，与不相同的引用编号可以的一样，相同的引用编号可以用来指示相似特征、或者具有相似功能的特征。

除非另有说明，图是按比例绘制的，这意味着对于至少图中描述的实施例而言描绘的项目的大小相对于彼此是精确的。

图1A是当茜素红S结合至硼酸根时发生的化学反应的图。

图1B是多价离子通过配位与EDTA螯合的图。

图1C是咪唑缓冲机制的图。

图2是绘制在520nm处吸收值随硼酸根浓度变化的校正曲线。

具体实施方式

根据附图中举例说明的和以下描述中详细说明的非限制性实施方案更全面地描述各种特征和有利的细节。然而，应理解详细的描述和具体实施例在表明本发明的实施方案时仅以举例说明而非限制的方式给出。根据本公开，各种替换、修改、添加和/或重新排列对于本领域普通技术人员而言会变得明显。

除非本公开另外明确要求，名词前没有数量词被定义为一个或更多个。

如本领域普通技术人员所理解的，术语“基本上”被定义为所指定物的大部分但不一定是全部(包括指定的全部)。在任意公开的实施方案中，术语“基本上”可以被“在[百分比]内”的指定物所替代，其中百分比包括0.1％、1％、5％和10％。

术语“包括”、“具有”、“包含”和“含有”是开放式连系动词。因此，“包括”、“具有”、“包含”、“含有”一种或更多种元素的组合物和/或分析溶液具有那些一种或更多种元素，但不限制为仅具有那些一种或更多种元素。同样地，“包括”、“具有”、“包含”、“含有”一个或更多个特征的系统或组合物的元素具有那些一个或更多个特征，但不限制为仅具有那些一个或更多个特征。

此外，以一定方式配置的结构或组合物以至少那种方式配置，但也可以以未列出的方式配置。公制单位来自于可以通过应用转换和四舍五入精确到毫米所提供的英制单位。

即便没有描述或举例说明，除非本公开或实施方案的性质明确禁止，一个实施方案的一个或多个特征可以应用到其他实施方案。

公开的容器组合件和组合物中的任一种的任意实施方案可以由所描述的元素和/或特征和/或步骤中的任一个构成或基本由其构成，而非包括/包含/含有/具有所秒述的元素和/或特征和/或步骤中的任一个。因此，在任意的权利要求中，术语“由……构成”或“基本由……构成”可以被任何上述开放性连系动词替代，以改变给定权利要求在原本使用开放式连系动词时限定的范围。

如本文所使用的，高的总溶解固体包括高于60000mg/L的值。在下面的描述中，提供许多具体的细节以提供对所公开实施方案的深入理解。然而，相关领域普通技术人员会认识到可以在没有一个或更多个具体细节的情况下、或利用其它方法、组分、材料等的情况下实施本发明。在其他情况下，没有详细示出或描述已知的结构、材料或操作以避免使本发明的方面不清楚。

分析可以用于现场试验来测定水性溶液中溶解的硼酸根。在一个实施方案中，分析被设计为测试石油和天然气位置产生的水。在具体的实例中，避免腐蚀性化学品如硫酸(在其他商业可用的分析中所使用的)。分析可以在任何水性溶液中进行。在本发明的一个实施方案中，在具有极高的总溶解固体(TDS)的水中进行分析，其中很大比例的TDS是多价金属，例如但不限于Ca⁺²、Mg⁺²、Fe⁺²和Fe⁺³。

分析物包括由邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂和缓冲剂构成的溶液。可以使用本领域技术人员已知的任何邻苯二酚染料。这类邻苯二酚染料的实例包括茜素红S和邻苯二酚紫。多价阳离子螯合剂可以包括EDTA、1,2-双(邻氨基苯氧基)乙烷-N,N,N',N'-四乙酸(BAPTA)、喹啉-2、BAPTA-AM、Fura-1(Fura-1)、Fura-2、Fura-3、1,2-双(2-氨基苯氧基)乙烷-N,N,N',N'-四乙酸、APTRA、5F-APTRA、2-羟基异喹啉-1,3(2H,4H)-二酮、它们的其他不同的盐或本领域技术人员已知的任意多价阳离子螯合剂。缓冲剂可以包括咪唑、磷酸盐、HPEES、柠檬酸盐或本领域技术人员已知的其他缓冲剂。

在一些实施方案中，邻苯二酚染料在给定pH下显示出最大的硼酸根灵敏度。在一些实施方案中，采用螯合剂以使得螯合剂pKa低于邻苯二酚染料硼酸根最大灵敏度pH。在具体的实施方案中，染料是茜素红S，并在约7.2的pH下显示出最大灵敏度。在其他实施方案中，阻碍金属离子结合至茜素红S和/或与茜素红S相互作用的金属螯合剂具有低于7.2的pKa。在该具体实施方案中，螯合剂是BAPTA(CAS号85233-19-8)。然而，也可以使用其他螯合剂如Fura-2(CAS112694-64-7)。

在优选的实施方案中，采用在染料为敏感性所需的pH下完全质子化的螯合剂。如果螯合剂在所关注的pH下被质子化，如在EDTA和pH7.2的情况下，添加金属可能导致螯合剂释放质子，由此引起pH变化和/或有必要使用非常高的缓冲剂浓度。pH的变化可能导致分析失去准确性，因为染料可能以它响应于硼酸根而改变颜色的相似方式响应于pH而改变颜色。为了阻止该变化，可以添加缓冲剂。然而，可以添加的缓冲剂的量受限于缓冲剂的溶解性。尽管缓冲剂的溶解性不同，优选使用小于或等于约1M的缓冲剂浓度。

在优选的实施方案中，分析物包含由化合物1(茜素红S)、化合物2(EDTA)、化合物3(咪唑)和羟丙基β-环糊精组成的在水中的pH为6至8的溶液(图1A-1C)。茜素红S是化学传感器，当它与硼酸根反应形成复合物1-BO4时它改变其光学性能，这使得能够建立校正曲线以用于测定具有未知浓度的样品中硼酸根的浓度。EDTA是掩蔽剂并结合所分析的高TDS样品中存在的任何金属。EDTA是重要的，因为金属也可以与茜素红S结合并改变其光学性能，这会导致未知样品中硼浓度的测定的误差。咪唑是缓冲剂。缓冲剂是重要的，因为茜素红S响应于pH而改变其光学性能。羟丙基β-环糊精增加染料的溶解度。本领域技术人员认识到茜素红可以在不同的pH范围起作用，包括1至12的pH。在具体的实施方案中，已经发现6至8的范围是有用的。因此，在没有缓冲剂的情况下，pH会在添加样品时改变，导致分析误差增加。

在一个实施方案中，将分析物(assay)分配到96孔板中并冷冻干燥。冷冻干燥使得分析物在添加用于分析的样品时快速溶解。经冷冻干燥的样品是吸湿性的，因此，具有经干燥的分析物的96孔板存储于填充有氮并含有干燥剂的聚酯薄膜袋中。羟丙基β-环糊精防止染料在温度下降时从溶液中沉淀出。

分析可以在合适的容器中以单个分析进行。有利的是能够具有允许同时进行多个测试的容器。本领域技术人员认识到多孔容器是本领域中众所周知的容器并且可以用于多个测试。在一个实施方案中，使用96孔板。分析溶液包括分配到96孔板中的溶液。分析溶液包括经冷冻干燥的溶液。描述了一种用于测定溶解的硼酸根浓度的试剂盒，其在包含多个测试位置的容器、优选96孔板中包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂和缓冲剂。试剂盒包含所述分析溶液。描述了一种测定水中硼酸根浓度的方法，其包括采用所述的分析溶液。

本领域技术人员认识到可以在200nm至620nm读取吸光度。在一个具体的实施方案中，发现520nm运作良好，由此通过绘制根据硼酸根浓度变化在520nm处吸光度的变化在0至60mg/L硼酸根之间建立校准曲线。在Gen5软件中，使用非线性回归将得到校准数据拟合成曲线(图2)。校准曲线用于测定未知浓度的样品中硼酸根的浓度。

任何光学读出器都可以用于检测分析的结果。大多数光学读出器会具有它们自己的软件包来辅助标准化曲线。在本发明的一个方面，使用来自Biotek的可商购获得的读出器来收集用于分析的光学数据。Bioteck读板器带有称作Gen5的软件包。Gen5软件是程序化的，因此使用者可以点击按钮以开始实验。实验开始后，程序自动读取520nm处的分析的波长，并在校准曲线上绘制吸光度值以确定未知样品的浓度。

实施例

通过在700mL蒸馏水中组合185.5g乙二胺四乙酸(EDTA)二钠二水合物与69.326g咪唑游离碱来制备传感器溶液。将溶液加热直至全部组分进入溶液，已验证pH为7.19。添加10.32mL来自于茜素红S浓缩溶液(58.12mM于蒸馏水中)。大部分染料显示出沉淀，但随着微热恢复为溶液。使用185.468gEDTA二钠和70.582g咪唑游离碱如上制备第二批传感器缓冲剂溶液。然后将两种溶液转移至2000mL量瓶，并用蒸馏水稀释至标记，得到最终的传感器溶液：0.6mMARS，1.0M咪唑，0.5MEDTA,pH7.2。

表1.

表浓度以mg/L计。

Claims (95)

1.一种用于测定溶解的硼酸根浓度的组合物，所述组合物包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂、增溶剂和缓冲剂。

2.根据权利要求1所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料是茜素红S。

3.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是EDTA。

4.根据权利要求1所述的组合物，其中所述缓冲剂是咪唑。

5.根据权利要求1所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料是化学硼酸根传感器。

6.根据权利要求5所述的组合物，其中所述化学硼酸根传感器在结合至硼酸根时改变其光学性能。

7.根据权利要求1所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂结合所分析样品中存在的金属。

8.根据权利要求7所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂使测量硼酸根浓度时的误差最小。

9.根据权利要求1所述的组合物，其中所述缓冲剂防止pH变化。

10.根据权利要求1所述的组合物，其中可操作的pH范围是约6至约8。

11.根据权利要求1所述的组合物，其中缓冲剂的溶解度大于200g/L。

12.根据权利要求1所述的组合物，其中茜素红S与硼酸根反应形成复合物1-BO4。

13.根据权利要求1所述的组合物，其中所述硼酸根浓度在具有高的总溶解固体的水中是可测量的。

14.根据权利要求1所述的组合物，其中所述增溶剂以1％至10％存在。

15.根据权利要求14所述的组合物，其中所述增溶剂是环糊精。

16.根据权利要求1所述的组合物，其中所述环糊精是α-环糊精。

17.根据权利要求1所述的组合物，其中所述环糊精是β-环糊精。

18.根据权利要求1所述的组合物，其中所述环糊精是γ-环糊精。

19.根据权利要求1所述的组合物，其中所述环糊精是烷基化的环糊精。

20.根据权利要求19所述的组合物，其中所述烷基化的环糊精是羟丙基β-环糊精。

21.根据权利要求14所述的组合物，其中所述增溶剂是表面活性剂。

22.根据权利要求14所述的组合物，其中所述增溶剂是冠醚。

23.根据权利要求14所述的组合物，其中所述增溶剂是聚乙二醇。

24.根据权利要求1所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料在给定pH下显示出最大敏感度。

25.根据权利要求24所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂具有低于邻苯二酚染料最大敏感度pH的pKa值。

26.根据权利要求25所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是BAPTA。

27.根据权利要求25所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是Fura-2。

28.一种用于测定硼酸根浓度的分析溶液，所述分析溶液包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂、增溶剂和缓冲剂。

29.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述邻苯二酚染料是茜素红S。

30.根据权利要求28所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是EDTA。

31.根据权利要求28所述的组合物，其中所述缓冲剂是咪唑。

32.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述茜素红S是化学硼酸根传感器。

33.根据权利要求32所述的分析溶液，其中所述化学硼酸根传感器在结合至硼酸根时改变其光学性能。

34.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述多价阳离子螯合剂结合所分析样品中存在的金属。

35.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述多价阳离子螯合剂使测量硼酸根浓度的误差最小。

36.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述缓冲剂防止pH变化。

37.根据权利要求28所述的分析溶液，其中可操作的pH范围是约6.9至约7.4。

38.根据权利要求28所述的分析溶液，其中缓冲剂的溶解度大于200g/L。

39.根据权利要求28所述的分析溶液，其中茜素红S与硼酸根反应形成复合物1-BO4。

40.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述硼酸根浓度在具有高的总溶解固体的水中是可测量的。

41.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述溶液被分配到多孔板中。

42.根据权利要求41所述的分析溶液，其中所述多孔板是96孔板。

43.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述溶液是经冷冻干燥的。

44.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述增溶剂以1％至10％的量存在。

45.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述增溶剂是环糊精。

46.根据权利要求45所述的分析溶液，其中所述环糊精是α-环糊精。

47.根据权利要求45所述的分析溶液，其中所述环糊精是β-环糊精。

48.根据权利要求45所述的分析溶液，其中所述环糊精是γ-环糊精。

49.根据权利要求45所述的分析溶液，其中所述环糊精是烷基化的环糊精。

50.根据权利要求49所述的分析溶液，其中所述烷基化的环糊精是羟丙基β-环糊精。

51.根据权利要求44所述的分析溶液，其中所述增溶剂是表面活性剂。

52.根据权利要求44所述的分析溶液，其中所述增溶剂是冠醚。

53.根据权利要求44所述的分析溶液，其中所述增溶剂是聚乙二醇。

54.根据权利要求28所述的分析溶液，其中所述邻苯二酚染料在给定pH下显示出最大敏感度。

55.根据权利要求54所述的分析溶液，其中所述多价阳离子螯合剂具有低于邻苯二酚染料最大敏感度pH的pKa值。

56.根据权利要求55所述的分析溶液，其中所述多价阳离子螯合剂是BAPTA。

57.根据权利要求55所述的分析溶液，其中所述多价阳离子螯合剂是Fura-2。

58.一种试剂盒，其包括根据权利要求28所述的分析溶液。

59.一种测定样品中的硼酸根浓度的方法，所述方法包括使所述样品与根据权利要求1-27所述的组合物中的任一种或根据权利要求28-57所述的分析溶液中的任一种接触，并且测定所述样品中的硼酸根的浓度。

60.根据权利要求59所述的方法，其还包括采用荧光检测器。

61.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是水性样品。

62.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是固体样品。

63.根据权利要求60所述的方法，其中所述固体样品是土壤样品。

64.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是凝胶状样品。

65.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是浆状物。

66.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是悬浮液。

67.根据权利要求60所述的方法，其中所述样品是组织样品。

68.一种用于测定溶解的硼酸根浓度的组合物，其包含邻苯二酚染料、多价阳离子螯合剂和缓冲剂。

69.根据权利要求68所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料是茜素红S。

70.根据权利要求68所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是EDTA。

71.根据权利要求68所述的组合物，其中所述缓冲剂是咪唑。

72.根据权利要求68所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料是化学硼酸根传感器。

73.根据权利要求68所述的组合物，其中所述化学硼酸根传感器在结合至硼酸根时改变其光学性能。

74.根据权利要求68所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂结合所分析样品中存在的金属。

75.根据权利要求74所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂使测量硼酸根浓度的误差最小。

76.根据权利要求68所述的组合物，其中所述缓冲剂防止pH变化。

77.根据权利要求68所述的组合物，其中可操作的pH范围是约6至约8。

78.根据权利要求68所述的组合物，其中缓冲剂的溶解度大于200g/L。

79.根据权利要求68所述的组合物，其中茜素红S与硼酸根反应形成复合物1-BO4。

80.根据权利要求68所述的组合物，其中所述硼酸根浓度在具有高的总溶解固体的水中是可测量的。

81.根据权利要求68所述的组合物，其还包含增溶剂。

82.根据权利要求81所述的组合物，其中所述增溶剂以1％至10％存在。

83.根据权利要求82所述的组合物，其中所述增溶剂是环糊精。

84.根据权利要求83所述的组合物，其中所述环糊精是α-环糊精。

85.根据权利要求83所述的组合物，其中所述环糊精是β-环糊精。

86.根据权利要求83所述的组合物，其中所述环糊精是γ-环糊精。

87.根据权利要求83所述的组合物，其中所述环糊精是烷基化的环糊精。

88.根据权利要求87所述的组合物，其中所述烷基化的环糊精是羟丙基β-环糊精。

89.根据权利要求81所述的组合物，其中所述增溶剂是表面活性剂。

90.根据权利要求81所述的组合物，其中所述增溶剂是冠醚。

91.根据权利要求81所述的组合物，其中所述增溶剂是聚乙二醇。

92.根据权利要求68所述的组合物，其中所述邻苯二酚染料在给定pH下显示出最大敏感度。

93.根据权利要求92所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂具有低于邻苯二酚染料最大敏感度pH的pKa值。

94.根据权利要求93所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是BAPTA。

95.根据权利要求93所述的组合物，其中所述多价阳离子螯合剂是Fura-2。