CN111879746B - 一种荧光化学传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种荧光化学传感器及其制备方法和应用，属于荧光化学传感器技术领域，本荧光化学传感器使用环境友好的聚乙烯亚胺和单宁酸作为原料，先将水、单宁酸依次加入聚乙烯亚胺中，在室温下搅拌使其反应，然后对溶液进行透析，得到的大分子浓缩液即为荧光化学传感器。本荧光化学传感器对Fe³⁺离子表现出高度的灵敏度和选择性，可用于Fe³⁺离子含量的测定；本发明提供的制备方法反应条件温和、合成步骤简单，不涉及有毒有害物质，安全性好。

Description

一种荧光化学传感器及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及荧光化学传感器技术领域，具体涉及一种荧光化学传感器及其制备方法和应用。

背景技术

铁在地壳中是仅次于铝的第二种丰富金属，与人类生活密切相关。Fe³⁺是铁元素的主要离子存在形式。作为人体中的微量元素，Fe³⁺负责酶的催化作用、氧的活化、氧的转运以及DNA和RNA的合成，缺乏和过量的Fe³⁺离子会导致多种人类生理功能紊乱。血清铁含量是诊断血液中铁离子水平的主要指标之一。除存在于人体中外，天然淡水中还发现了Fe³⁺离子，含量范围为0.5至50mg/L。根据世界卫生组织的要求，水中Fe³⁺离子的浓度不应超过0.3mg/L(5.4μmol/L)。当Fe³⁺离子的浓度超过0.3mg/L时，会带来令人无法接受的气味，此外，“铁细菌”还会在管道上产生粘稠层。因此，监测人体血清及水环境中Fe³⁺离子的浓度对人体健康和环境至关重要。

目前为止，已报道了多种测定Fe³⁺离子的方法，例如原子吸收分光光度法(AAS)，电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-AES)，伏安法和比色法等。尽管原子吸收分光光度法和电感耦合等离子体原子发射光谱法是检测金属阳离子的经典方法，但这些方法使用的仪器价格昂贵且外形笨重，不能分辨金属离子的价态；伏安法和比色法容易受到水体基质的干扰，通常需要复杂的样品制备程序。而荧光化学传感器具有选择性好、灵敏度高，可以目视化判断等优点。荧光化学传感器主要基于碳点，有机小分子化合物，有机聚合物，贵金属纳米材料和半导体量子点等。其中有机小分子化合物和有机聚合物由于良好的选择性和无金属成分受到广泛关注。例如专利CN103983765B-一种荧光检测三价铁离子的方法报道了一种香豆素类荧光探针，专利CN105884788B-一种基于罗丹明B的Fe³⁺分子荧光化学传感器、制备方法及应用报道了一种基于罗丹明B的分子荧光化学传感器，但这些探针/传感器都需要复杂的制备过程，制备过程中需要高温及有毒有害的有机溶剂等条件。

发明内容

本发明的目的是提供一种荧光化学传感器及其制备方法和应用，本发明使用环境友好的聚乙烯亚胺和单宁酸作为原料，在室温下搅拌即可合成识别三价铁离子的高灵敏度和选择性的荧光化学传感器。反应物不含金属及有机溶剂，反应条件温和，是一种绿色、灵敏、高选择性的Fe³⁺荧光化学传感器。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种荧光化学传感器，所述荧光化学传感器为由单宁酸和聚乙烯亚胺交联生成的共聚物；所述单宁酸和聚乙烯亚胺的质量比为1:1～1:10。

优选的，所述荧光化学传感器的最大荧光激发波长为340nm，最大荧光发射波长为460nm。

一种上述荧光化学传感器的制备方法，其包括如下步骤：

S1、将水、单宁酸依次加入聚乙烯亚胺中，在室温下搅拌使其反应；

S2、反应结束后，对溶液进行透析，得到的大分子浓缩液即为荧光化学传感器。

通常在室温下搅拌2小时后荧光光强就达到最强，因此，所述步骤S1中搅拌时间优选2小时。

步骤S2中的透析用于将未反应完的小分子除去，纯化样品，优选的，透析用于截留分子量大于等于5000Da的物质。

优选的，所述透析具体为：将步骤S1制备的溶液置于多孔纤维素袋中，将多孔纤维素袋置于超纯水中进行透析。进一步，优选的透析时间为24小时。

上述荧光化学传感器可用于检测三价铁离子，对污水、血液中的三价铁离子检测均适用，当然也并不仅限于该类物质。

本荧光化学传感器是通过猝灭过程中的电子转移机制来对Fe³⁺离子进行传感。参见图7，在向荧光化学传感器中添加Fe³⁺前后，其激发和发射荧光波长均保持不变，在被猝灭的传感器中加入乙二胺四乙酸二钠(EDTA)后，传感器的荧光得以恢复，恢复后的荧光激发和发射光谱的位置仍然不变，这也说明了EDTA通过将Fe³⁺络合后，破坏了荧光化学传感器和Fe³⁺之间电子转移从而可将荧光恢复。

本发明有益效果如下：

本荧光化学传感器是以绿色、廉价的单宁酸和聚乙烯亚胺为原料交联生成的共聚物，其对Fe³⁺离子表现出高度的灵敏度和选择性，可用于三价铁离子含量的测定；本发明提供的制备方法反应条件温和、合成步骤简单，不涉及有毒有害物质，安全性好。

附图说明

图1是TA、hPEI、TA/PEI的红外光谱图；

图2是TA、hPEI、TA/PEI的紫外吸收光谱图；

图3是TA/PEI的荧光激发和发射光谱图；

图4是不同pH值条件下TA/PEI中加入Fe³⁺之前光强校正值(F₀/F_max)以及加入0.2μmol/L Fe³⁺的猝灭效果值(F₀/F)，其中F₀为加入Fe³⁺之前的光强值，F_max为加入Fe³⁺之前的光强最大值，F为加入Fe³⁺之后的光强值，误差棒为三次测量的标准偏差；

图5是TA/PEI中加入不同浓度Fe³⁺后的荧光光谱图；

图6是TA/PEI猝灭效果值(F₀/F)与Fe³⁺浓度(μmol/L)拟合直线；

图7是TA/PEI中在加入Fe³⁺前后及加入Fe³⁺和EDTA后的荧光激发和发射光谱图；

图8是TA/PEI中分别加入10μmol/L不同金属离子的荧光强度，误差棒为三次测量的标准偏差；

图9是TA/PEI中分别加入10μmol/L Fe³⁺和10μmol/L不同金属离子的荧光强度，误差棒为三次测量的标准偏差。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下述实施例中提及的聚乙烯亚胺(hPEI)、单宁酸(TA)、4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)、标准铁物质均为市售产品，其中，聚乙烯亚胺(hPEI,Mw＝10000,99％)购买自阿拉丁实业公司(中国，上海)；单宁酸(99％)，4-羟乙基哌嗪乙磺酸(99％)(HEPES)购买自Adamas-beta(中国,上海)；硫酸奎宁购自阿拉丁公司(中国，上海)；铁标准物质购买自国家有色金属及电子材料分析测试中心(中国，北京)；其他化学试剂由成都科龙化工试剂厂(中国，四川)所提供。

实施例1：

(一)制备荧光化学传感器

将4mL 0.1g/mL聚乙烯亚胺(hPEI)，15.6mL H₂O和0.4mL 0.1g/mL单宁酸(TA)依次添加到玻璃烧杯中，并在室温下搅拌2小时；将上述溶液置于多孔纤维素袋(截留分子量大于等于5000Da的物质)，用超纯水透析24小时；收集透析袋内的大分子浓缩液即为荧光化学传感器(TA/PEI)。

(二)荧光化学传感器表征

1、红外光谱表征

取上述制备的荧光化学传感器(TA/PEI)，将其在-4℃温度的冰箱中冻结，然后再在冻干机中冻干成粉末，对该粉末以及原料聚乙烯亚胺(hPEI)和单宁酸(TA)进行红外光谱表征，结果请参见图1。

图1中，对于TA，在3600-3000cm^-1的波数范围内有一个宽带归属于-OH的拉伸；在1454cm^-1、1533cm^-1、1608cm^-1处的三个峰是由于苯环的C＝C拉伸所致；在1724cm^-1和1330cm^-1处的特征峰分别与羧羰基键的拉伸和-OH变形振动有关；对于hPEI，在3407cm^-1处的宽峰归因于N-H拉伸；在1579cm^-1和1466cm^-1处的特征峰分别对应于NH₂弯曲振动和C-N拉伸振动。对于TA/PEI，苯骨架振动在1400-1608cm^-1处的吸收明显减少，尤其是在1608cm^-1处的峰消失，这表明TA和hPEI已成功交联。此外，在1650cm^-1处出现强峰可归因于C＝N拉伸振动，这表明发生了席夫碱反应。聚乙烯亚胺在1656cm^-1处的弱峰归因于N-H的形变振动。对于TA/PEI，单宁酸中1724cm^-1处峰的消失和1330cm^-1中吸收的减少说明了羧羰基键和-OH键是交联反应中的反应位点。

2、紫外吸收光谱表征

取上述制备的荧光化学传感器(TA/PEI)、原料聚乙烯亚胺(hPEI)和单宁酸(TA)测定其紫外吸收光谱，结果请参见图2。

图2中，TA/PEI的紫外吸收光谱在335nm处显示了一个新的吸收峰，而单独的hPEI或TA在该波长处没有吸收峰。这说明TA和PEI反应中生成了新的化学键。这说明在335nm的新吸收带和TA/PEI的荧光发射分别属于C＝N键的n→π*和n←π*跃迁。

3、荧光激发和发射光谱表征

取上述制备的荧光化学传感器(TA/PEI)，扫描其荧光激发和发射光谱，结果请参见图3。

由图3中可知，TA/PEI的最大荧光激发波长为340nm，最大荧光发射波长为460nm。

(三)荧光化学传感器性能

下述性能研究的实验中，在对涉及荧光化学传感器(TA/PEI)的溶液进行荧光测量之前，均先将上述制备的TA/PEI用pH 7.0、0.01mol/L的HEPES缓冲溶液稀释500倍；再将600μL的TA/PEI稀释溶液和400μL的Fe³⁺溶液混合均匀；然后将混合溶液倒入微量石英比色皿中，10分钟后，通过荧光分光光度计收集TA/PEI的荧光光谱。用于激发和发射的荧光分光光度计的狭缝宽度均为10nm。所有实验均使用340nm的固定激发波长，并通过原子吸收方法将Fe³⁺标准溶液的浓度进行校正。

1、TA/PEI对溶液pH值适用性

取TA/PEI稀释溶液和浓度为0.2μmol/L的Fe³⁺溶液混合，通过磷酸盐缓冲溶液调整改变其pH值，分别获得pH在3～12的TA/PEI、Fe³⁺混合溶液，检测其荧光强度，结果请参见图4。由图4可知，TA/PEI溶液的荧光强度在4到12的范围内显示出相对稳定的强度，波动范围约为15％；当pH值为3时，TA/PEI溶液的荧光强度最小。对Fe³⁺的灵敏度结果也显示出TA/PEI在各种pH值下灵敏度都很接近。F₀/F的最大值在pH 4下获得，但这也仅为在pH 8获得的F₀/F最小值的117％。这些结果表明，所制备的TA/PEI聚合物在4至12的宽pH范围内具有良好的稳定性和适用性。

2、TA/PEI荧光检测Fe³⁺的灵敏度

取TA/PEI稀释溶液和系列不同浓度的Fe³⁺溶液混合，调节pH值为7，并通过荧光分光光度计记录荧光光谱，结果请参见图5。

由图5可知，随着Fe³⁺离子浓度的增加，TA/PEI荧光强度降低。

以TA/PEI猝灭效果值(F₀/F)为总坐标、Fe³⁺浓度为横坐标绘制图，请参见图6，并用Stern-Volmer方程进行表示：

F₀/F＝1+K_SV[C]

其中，F₀和F分别为在不存在和存在Fe³⁺离子的情况下TA/PEI溶液的荧光强度；KSV是Stern-Volmer猝灭系数；[C]是Fe³⁺离子的浓度(μmol/L)。

由图6可知，当添加的Fe³⁺离子浓度在0.1μmol/L～5μmol/L时，Stern-Volmer方程为y＝0.184x+1，其中y为F₀/F，x为Fe³⁺离子浓度。线性相对系数(R²)为0.9998，证明TA/PEI对于Fe³⁺离子表现出良好的线性关系。

五次重复检测的0.5μmol/L和2.0μmol/L的精密度也分别为2.3％和3.8％。检出限(LOD)估计为0.14μmol/L(基于S/N＝3)，远低于临床检验中血清铁离子的正常范围。

3、TA/PEI检测Fe³⁺的选择性

选择常见的金属离子(10μmol/L)，将他们分别单独加入TA/PEI稀释溶液中，考察对TA/PEI溶液荧光强度的影响，如图8所示。另外，将TA/PEI稀释溶液与10μM Fe³⁺离子混合，调节pH值为7，再分别加入10μmol/L的干扰物质，测定TA/PEI溶液荧光强度的变化，如图9所示。结果表明，这些金属离子对TA/PEI检测Fe³⁺都没有明显的影响，提出的TA/PEI对Fe³⁺离子具有出色的选择性。

(四)荧光化学传感器测定Fe³⁺含量

1、测定血清铁含量

(1)样品前处理：将采取的新鲜血样静置两小时使血清自然析出、放入冷冻离心机中，在4000rpm、20℃条件下离心10分钟，取上层血清至洁净离心管中，将20％三氯乙酸与血清按1:1的比例，边滴加边震荡混匀，并在90℃恒温水浴锅中加热15分钟。将加热后的混合液在4000rpm、20℃条件下离心15分钟，取上层无色透明溶液至洁净离心管，放入4℃冰箱中保存待测定。

(2)样品测试：

血清铁测定时采用两种方法，一种是以上述制备的TA/PEI，采用标准加入法进行检测；另一种则采用《全国临床检验操作规程》中血清铁的比色法测定，并以此作为对照组。两种方法步骤如下：

A、TA/PEI标准加入法测试Fe³⁺浓度：

1)将TA/PEI探针用HEPES溶液稀释200倍。血清样品自然解冻。

2)配制标准曲线溶液，每份溶液中均加入600μL第1步得到的溶液，然后分别加入400μL纯水、5×10^-7、1×10^-6、1.5×10^-6、2×10^-6、2.5×10^-6、3×10^-6mol/L的铁标液，测试荧光强度，建立标准曲线。

3)另取600μL稀释200倍的探针溶液加入400μL稀释十倍的血清样1号，测试荧光强度，根据建立的标准曲线和血清样荧光强度计算样品中血清铁含量。

B、血清铁的比色法：

1)配制R1试剂甘氨酸/盐酸缓冲液(pH 2.8)、R2试剂亚铁嗪显色液、铁标贮存液(1.79mmol/L)、铁标应用液(35.8μmol/L)。

2)设置空白管(0.45mL纯水+1.2mL甘氨酸/盐酸缓冲液)、标准管(0.45mL铁标应用液+1.2mL甘氨酸/盐酸缓冲液)、测定管(0.45mL血清+1.2mL甘氨酸/盐酸缓冲液)。

3)向上述各管中分别加入50μL亚铁嗪显色液，充分混匀后置37C恒温水浴锅中加热10分钟，在相同条件下读各管吸光度。

两种方法的测试结果见表1。

2、测定水体中铁离子含量

湖水中Fe³⁺铁测定时也采用两种方法，一种与血清铁相同，也是以上述制备的TA/PEI，采用标准加入法进行检测；另一种则采用原子吸收法(石墨炉法)测定，并以此作为对照组。具体步骤如下：

1)将取得的湖水水样则采用0.22um纤维素膜过滤后待测。

2)加标水样的配制：在已过滤的水样中分别加入一定量的1000ppm的铁标液，使铁离子的浓度分别为0.7μmol/L和2μmol/L。

3)采用原子吸收分光光度计(石墨炉法)测试所配制加标水样的铁离子浓度。

4)采用TA/PEI标准加入法测试湖水中铁离子浓度，具体步骤为，先测试12个空白样品光强，然后建立0.1μmol/L～5μmol/L铁离子浓度范围的标准曲线，最后测试加标样品，在标准曲线上找到对应的浓度值。

测定结果见表1。

表1实际样品中Fe³⁺的测定

由表1可知，测定血清样品时TA/PEI标准加入法与比色法的最大相对误差为-9.04％，水中Fe³⁺加标样品的回收率为106％-110％，说明所提出的荧光化学传感器具有良好的准确度和可靠性，可以为Fe³⁺在实际应用中提供可靠的分析结果。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (8)

1.一种荧光化学传感器，其特征在于，所述荧光化学传感器为由单宁酸和聚乙烯亚胺交联生成的共聚物；所述单宁酸和聚乙烯亚胺的质量比为1:1～1:10。

2.如权利要求1所述的一种荧光化学传感器，其特征在于，所述化学传感器的最大荧光激发波长为340nm，最大荧光发射波长为460nm。

3.一种荧光化学传感器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1所述的荧光化学传感器，其包括如下步骤：

S1、将水、单宁酸依次加入聚乙烯亚胺中，在室温下搅拌使其反应；

S2、反应结束后，对溶液进行透析，得到的大分子浓缩液即为荧光化学传感器。

4.如权利要求3所述的荧光化学传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中搅拌时间为2小时。

5.如权利要求3所述的荧光化学传感器的制备方法，其特征在于，所述透析用于截留分子量大于等于5000Da的物质。

6.如权利要求3所述的荧光化学传感器的制备方法，所述透析具体为：将步骤S1制备的溶液置于多孔纤维素袋中，将多孔纤维素袋置于超纯水中进行透析。

7.如权利要求6所述的荧光化学传感器的制备方法，所述透析的时间为24小时。

8.如权利要求1所述的荧光化学传感器在检测三价铁离子上的应用。

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