CN110554011A - 基于双响应镧系mof的可视化水荧光微传感器、定水管装置、水可视化测定装置及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器、定水管装置、水可视化测定装置及其应用。本发明所制备的水纸基微传感器具有响应快、灵敏度高、操作简便、耗时短等优点，解决了MOF分散液传感模式不稳定、准确度低的问题，结合新型定水管装置以及智能机辅助的可视化检测装置，首次实现了固体药物中微量水的快速准确定量，解决了现有方法只能实现液体溶剂中水含量测定的问题。本发明的水含量纸基荧光微传感器制备技术简单、成本低，适合大批量生产，不仅首次实现了固体样本中微量水的即时、可视化定量，而且本方法不消耗有机溶剂，更加环保绿色，在固体样本水含量的测定中具有广泛的应用前景。

Description

基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器、定水管装置、 水可视化测定装置及其应用
技术领域
本发明属于荧光传感器领域，具体涉及一种基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器、定水管装置、水可视化测定装置及其应用。
背景技术
无论对于药品生产，还是食品制备，开发一种简单、快速、可信的固体样本水含量化学分析方法是迫切需要的，在这里水分是常见的杂质，它的过量存在会对药品、食品的理化性质产生不利影响，容易诱导霉变、腐败的发生，从而造成经济损失以及对人体健康造成潜在威胁。发光水传感器吸引了极大的研究兴趣，由于他们相比于电化学传感器具有显著优势(不需要校正、可以原位检测、制备简单)，同时相比于传统的卡尔-费休氏水含量测定法(需要特制的仪器以及训练有素的操作人员)，基于发光传感器的检测毫无疑问是更简单的。截止到目前，一系列用于水含量测定的发光传感器被开发，其中，大部分基于荧光小分子的发光传感器检测限较高，无法实现小于1％含水量的准确测定，并且它们不容易回收再利用。
MOFs是一类具有潜在空隙和开放框架结构的配位聚合物，其中，发光MOFs是一类快速发展的具有广泛应用前景的结晶材料，由于其发光形式多样、结构多样可调、制备简单、可预浓缩分析物(提高灵敏度)等诸多优势，发光MOFs已经被广泛应用于各类生物、化学传感当中。近年来，一系列基于发光MOF的水含量传感器被开发出来，其中有些是基于单发射荧光，这不利于检测的准确度，幸运的是，一些基于双波长发射的水含量测定荧光MOF被开发出来，提高了检测准确度。然而，值得被关注的是，由于MOF的异质性，其分散液的稳定性是有限的，基于分散液检测模式的荧光测定法的准确度有待进一步提高。另一方面，目前所报道的水检测荧光MOFs都只能实现有机溶剂中的水含量测定，还没有研究报道发光MOF可以实现固体样本中水含量的快速测定。毫无疑问，固体样本中水含量测定是更复杂的，需要合理设计新型检测方法去解决以上问题。更进一步的，基于发光MOF的水含量测定机理也需要通过理论计算的方法被进一步探究，从而丰富发光MOFs用于水分测定的分子水平理论，为同类型基于MOFs的发光传感器的研发提供更充分的理论指导。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器、定水管装置、水可视化测定装置及其应用。
为实现上述目的，本发明选择镧系Eu离子为金属节点，选择具有强镧系离子敏化作用的吡啶-2,6-二甲酸作为有机配体1，选择2-氨基对苯二甲酸为有机配体2，通过一锅法合成了新型双配体镧系MOF。该镧系MOF具有双发光中心，红色荧光来自Eu离子的特征发光，而蓝色荧光来自2-氨基对苯二甲酸的特征荧光。双配体的合成比例以水分响应灵敏度为指标进行了优化，最优配体比例制备的镧系MOF，随着水含量增加，蓝色荧光逐渐增强，而红色荧光逐渐减弱，这种turn-on联合turn-off的双响应MOF进一步提高了检测灵敏度。同时，由于配体2的蓝色荧光随着水含量增加发生蓝移，方法的长程线性较差，幸运的是，基于多点校正的色度分析可以有效改善荧光蓝移造成的结果偏差，使得长程线性极好，这也进一步验证了基于比率色度的分析检测模式效果更好，这也是后续的可视化检测的优势之一。接着，通过简单的浸泡法制备了纸基水含量荧光微传感器，该纸基微传感器具有优异的水响应可逆性，同时针对固体样本，构建了小巧、有效的定水管装置，进一步结合智能机辅助的可视化检测装置，一个简单、快速、灵敏、高效、可行的固体样本水含量测定方法被成功构建。
本发明提供的方案如下：
本发明一方面提供一种基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器，其特征在于：所述可视化水荧光微传感器由纤维滤纸浸泡荧光MOF分散液后干燥制得，所述荧光MOF是指对水分敏感的具有镧系离子、配体分子双发光中心的镧系MOF；所述荧光MOF的粒径为50-500nm，所述可视化水荧光微传感器为直径为6mm的加载荧光MOF的纸基圆片；所述荧光MOF由镧系金属盐与吡啶-2,6-二甲酸、2-氨基对苯二甲酸双配体通过一锅法制成，所述可视化水荧光微传感器由纤维滤纸浸泡于MOF分散液制得。
作为优选方案，所述镧系金属盐指金属铕盐、铽盐或镝盐中任一种。
进一步地，所述荧光MOF的配体分子包括吡啶-2,6-二甲酸、2-氨基对苯二甲酸。
本发明二方面还提供一种利用上述基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器构建的定水管装置，其特征在于：包含瓶身、瓶盖、橡胶内衬垫以及上述的可视化水荧光微传感器；所述可视化水微传感器固定于橡胶内衬垫表面并置于瓶盖中，且所述可视化水微传感器与瓶身一起构成密闭的定水管装置。
本发明三方面提供一种基于如权利要求1所述的纸基荧光微传感器搭建的水含量可视化测定装置，其特征在于：包括如上述的可视化水荧光微传感器、样本抽屉，96孔板和暗箱；所述96孔板置于样本抽屉内，且所述样本抽屉位于暗箱的底部用以放置可视化水荧光微传感器；所述暗箱顶部设置有紫外灯，还设有用于感光后拍照的拍照设备。
本发明四方面提供一种如上述的基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器在固体药物中水含量测定中的应用。
本发明五方面提供一种如上述的定水管装置在固体药物中水含量测定中的应用。
本发明六方面提供一种如上述的水含量可视化测定装置在固体药物中水含量测定中的应用。
本发明提供的新型荧光MOF、纸基水含量微传感器、定水管装置和水可视化测定装置在有机溶剂、固体样本中水含量检测中均可有效应用。
本发明的优点及有益效果如下：
(1)本发明提供的新型荧光MOF具有高灵敏水响应特点；
(2)基于本发明提供的荧光MOF可制备水检测纸基微传感器，结合自设计的定水管装置、水含量可视化测定装置，可实现固体样本中水含量的可视化分析检测；
(3)基于本发明提供的传感器的检测技术具有观察空间和时间分布方面的独特优势，同时具有操作简单、响应快、高灵敏度的优点；
(4)水检测纸基微传感器具有良好的可逆性，可重复使用；
(5)本发明设计的荧光传感器首次实现了固体药物中的水含量测定，可拓展应用于其他类型固体样本中水含量测定。
附图说明
图1是镧系金属有机骨架材料的透射电镜图；
图2是定水管以及水检测荧光试纸；
其中：1、定水管装置；2、瓶身；3、瓶盖；4、橡胶内衬垫；5、可视化水荧光微传感器； 6、水微传感器在日光下的图片；7、水微传感器在254nm紫外光照射下的图片；
图3是固体样本水含量可视化测定的建议装置；
其中：8、样本抽屉；9、96孔板；10、暗箱；11、紫外灯；12、拍照设备；
图4是固体样本水可视化测定的流程图；
其中：13、颗粒剂；14、胶囊剂；15、恒温摇床；16、可视化检测结果；
图5是荧光传感器对有机溶剂中水含量的响应荧光谱图；
图6是荧光传感器双波长比(I443nm/I620nm)对有机溶剂中水含量的响应标准曲线；
图7是图5中的荧光谱图进行色坐标转换后的结果；
图8是色坐标随水含量变化的标准曲线；
图9是荧光传感器在用于不同有机溶剂中水含量可视化测定的结果(图中：A、B、C分别代表不同含水量的甲醇、乙醇和乙腈)；
图10是固体颗粒剂中水含量可视化测定的标准曲线；
图11是固体胶囊剂中水含量可视化测定的标准曲线；
图12是水检测微传感器的可逆性评估；
图13是水检测微传感器的响应速度。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地详细说明。
实施例1
基于双响应镧系金属有机骨架的水可视化比率荧光传感器的制备
制备方法如下：
步骤一：首先将0.48mmol吡啶2,6-二甲酸，0.02mmol 2-氨基对苯二甲酸和1mmol三乙胺溶解在15mL乙醇中，并将0.25mmol EuCl3·6H2O溶解在5mL一级水中。然后将上述溶液混合并密封于圆底烧瓶(50mL)中，在40℃油浴条件下搅拌2小时。收集所得白色沉淀，分别用一级水和无水乙醇纯化三次，然后将MOF在真空烘箱中40℃干燥过夜。图1为该双金属有机骨架材料的透射电镜图，从图中可以看出所制备的材料为类六元环形纳米晶，平均直径在200nm左右。
实施例2
利用实施例1的比率荧光传感器制备水荧光试纸及固体样本定水管、水可视化装置的搭建
水荧光试纸的制备：
取材料母液，用一级水稀释得2mg/mL的分散液，将whatman滤纸置于分散液中浸泡20min，然后取出室温干燥12h，转移到干燥器中继续干燥12h。然后，用打孔器将其裁剪为直径为6mm的圆片，置于96孔板内储存备用，荧光试纸如附图2所示。
固体样本定水管的设计：
固体样本定水管如图2所示，它由瓶身、瓶盖、橡胶内衬垫、纸基水微传感器几部分构成，在紫外灯254nm激发下，纸基微传感器发出红色荧光。
水可视化装置的搭建：
进行水可视化测定时，需搭建如图3所示的智能机辅助的可视化测定装置。包含以下几个部分：抽屉8放有96孔板9，位于暗箱10的底部，用以放置纸基荧光微传感器，暗箱10顶部设置有紫外灯11，另有拍照设备12用于感光后拍照。固体样本水可视化测定的流程图如图4所示。
应用实施例1
应用实施例1制备的水可视化比率荧光传感器测试有机溶剂中的水含量
测试方法：取制备的水可视化比率荧光传感器，配制为母液(5mg/mL)备用，使用时用样品溶液稀释至100μg/mL进行水含量荧光测定。首先利用无水乙醇样本进行了荧光光谱以及标准曲线绘制，结果分别如图5和6所示，双波长比率荧光和水含量之间具有良好的线性关系(r＝0.9927，水含量0.1-100％)，将图5的光谱图经过色坐标转换以后如图7所示，色坐标和水含量之间线性进一步提高(图8，r＝0.9955)。
进一步将本方法用于甲醇、乙醇、乙腈的水含量可视化检测中，如图9所示，MOF可以很好地实现不同溶剂(A甲醇、B乙醇、C乙腈)中水含量的可视化检测。
应用实施例2
应用实施例2制备的水荧光试纸、固体样本定水管及水可视化装置进行固体药物中可视化水测定
过程如下：选用颗粒剂作为待测样本。称取待检测颗粒剂100mg，分装于定水管中，作为实验组，另外取空白定水管作为对照组。用恒温摇床100℃加热8min，再静置10min冷却，然后取出瓶盖内衬垫，在水可视化检测装置中进行检测。检测过程为：在紫外灯11照射下，用拍照设备12进行拍照，利用World ofcolor软件进行B/R色度分析(记录用于样品测试的圆片的色度值即可)。结果如图10所示，实验组所记录的色度值B和色度值R的比值扣除空白对照组的B/R后，得到delta B/R，它和颗粒剂样本中水含量具有良好的线性关系(r＝0.9957)。类似的，以胶囊剂作为待检测样本，如图11所示，所得delta B/R和胶囊剂样本中水含量具有良好的线性关系(r＝0.9970)。加标回收率实验结果显示，本方法加标回收率在91.0-104.0％之间，RSD在2.0-8.2％之间。结果表明该方法可以应用于固体样品中微量水分的快速测定。
另外，将本发明方法的检测结果与传统的卡尔-费休氏滴定法进行比较，结果如表1所示。结果显示本方法测得的结果和传统卡尔-费休氏滴定法测得的结果基本一致，表明本方法准确性好，且不需要进行校正，更加便捷。
表1.颗粒剂水含量测定结果与传统卡尔-费休氏滴定法测定结果的比较(n＝3)
进一步评估了所述水微传感器的可逆性以及响应速度，结果分别如图12和图13所示，表明本发明所构建的纸基水微传感器具有优异的可逆性水响应性能(循环6次测量结果无显著差异，有利于回收利用)以及极快的响应速度(20s)。

Claims (8)

1.一种基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器，其特征在于：所述可视化水荧光微传感器由纤维滤纸浸泡荧光MOF分散液后干燥制得，所述荧光MOF是指对水分敏感的具有镧系离子、配体分子双发光中心的镧系MOF；所述荧光MOF的粒径为50-500nm，所述可视化水荧光微传感器为直径为6mm的加载荧光MOF的纸基圆片；所述荧光MOF由镧系金属盐与吡啶-2,6-二甲酸、2-氨基对苯二甲酸双配体通过一锅法制成，所述可视化水荧光微传感器由纤维滤纸浸泡于MOF分散液制得。
2.根据权利要求1所述的基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器，其特征在于：所述镧系金属盐指金属铕盐、铽盐或镝盐中任一种。
3.根据权利要求1或2所述的基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器，其特征在于：所述荧光MOF的配体分子包括吡啶-2,6-二甲酸、2-氨基对苯二甲酸。
4.一种利用如权利要求1所述的基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器构建的定水管装置，其特征在于：包含瓶身(2)、瓶盖(3)、橡胶内衬垫(4)以及权利要求1所述的可视化水荧光微传感器(5)；所述可视化水微传感器(5)固定于橡胶内衬垫(4)表面并置于瓶盖(3)中，且所述可视化水微传感器(5)与瓶身(2)一起构成密闭的定水管装置(1)。
5.一种基于如权利要求1所述的纸基荧光微传感器搭建的水含量可视化测定装置，其特征在于：包括如权利要求1所述的可视化水荧光微传感器(5)、样本抽屉(8)，96孔板(9)和暗箱(10)；所述96孔板(9)置于样本抽屉(8)内，且所述样本抽屉(8)位于暗箱(10)的底部用以放置可视化水荧光微传感器(5)；所述暗箱(10)顶部设置有紫外灯(11)，还设有用于感光后拍照的拍照设备(12)。
6.一种如权利要求1或2所述的基于双响应镧系MOF的可视化水荧光微传感器在固体药物中水含量测定中的应用。
7.一种如权利要求4所述的定水管装置在固体药物中水含量测定中的应用。
8.一种如权利要求5所述的水含量可视化测定装置在固体药物中水含量测定中的应用。
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