CN112114019B - 一种基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及电位型防生物污损传感器，具体地说是一种基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器及其应用。导电基底表面涂覆有含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜；其中，吲哚类抗污活性物质的加入量为聚合物膜重量的0.01‑1％。本发明基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器仅通过向聚合物敏感膜内掺入吲哚类活性物质即可提高聚合物离子选择性电极的抗污活性，无需复杂的表面化学修饰过程，从而简化了制备步骤。同时本发明基于吲哚类活性物质的电位型防污传感器可持续、长期、缓慢释放抗污活性物，并借助吲哚类活性物质对污损生物生长的抑制作用和对细胞生物膜的破坏作用，实现电位型传感器的抗污损性能，从而解决电位型传感器长期在环境水体中使用易被生物污损的问题。通过改变离子选择性膜中离子载体的种类可实现多种防污离子选择性电极的构筑。

Description

一种基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器及其应用
技术领域
本发明涉及电位型防生物污损传感器，具体地说是一种基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器及其应用。
背景技术
离子选择性电极是化学传感器的一个重要分支，已被广泛应用于多种环境样品中离子的直接测定。需要指出的是，尽管近年来聚合物膜离子选择性电极技术经历了巨大的发展，但离子选择性电极在环境水体中检测的长期稳定性欠佳，这主要是由于环境水体中的污损生物附着在电极表面并形成生物膜，影响电极的热力学及动力学响应，导致检测数据与真实数据之间的偏差。生物污损问题极大地限制了电位型传感器在环境水体中长期实时在线检测方面的广泛应用。发展简单、性能稳定和抗污性能良好的电位型防污传感器仍然是一个难题。
为降低环境水体中生物污损带来的损害，研究者已发展多种防污技术，如：超声波法、辐射法、外加电流法等，但大部分技术是针对海洋人工设备(如：船舶、浮标等)，无法拓展到小型检测设备-传感器领域。此外，目前关于聚合物膜离子选择性电极的防污研究中，大部分研究多集中在如何提高离子选择性电极在生物样品中的抗蛋白质附着，尚未涉及如何提高电极在环境水体中的抗生物附着性能方面。
在防污材料的修饰方法方面，现有方法主要是将抗污活性物质通过表面修饰过程固定在物体表面可提高其抗污活性，但该方法操作过程繁琐复杂且抗污性能有限。进而需要一种方便、简洁的方法使其能够有效提高离子选择性电极表面抗污能力。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器及其应用。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种电位型防污传感器，导电基底表面涂覆有含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜；其中，吲哚类抗污活性物质的加入量为聚合物膜重量的0.01-1％。
所述吲哚类抗污活性物质为吲哚、6-氯吲哚、6-氨基吲哚、6-溴吲哚或5-甲基吲哚。
所述含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜为将吲哚类活性物质掺杂到聚合物膜中；其中，聚合物膜为待测离子的离子选择性载体与亲脂性离子交换剂(例如，(四(3，5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠)按质量比1:1混合，再加入膜基体材料和增塑剂，即得。
所述膜基体材料为聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶、醋酸纤维、聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；所述增塑剂为邻硝基苯辛醚、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、己二酸二辛酯或癸二酸二辛酯。
所述离子选择性电极为无内充液的全固态聚合物膜离子选择性电极或含内充液的液膜型离子选择性电极。其中，全固态聚合物膜离子选择性电极是将常规圆盘电极(例如，玻碳圆盘电极、金圆盘电极、铂圆盘电极)表面涂覆含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜制备而成。
一种电位型防污传感器的应用，所述电位型防污传感器在对环境水体中常见阳离子检测中实现抗生物污损中的应用。
所述检测常见阳离子为铅离子、铜离子、铁离子、铬离子、钠离子、钾离子、铵根离子、钙离子或镁离子。
所述环境水体为湖水、河水或海水。
作用原理：由于聚合物离子选择性膜是由各种有机物质组成的，因此吲哚类活性物质和聚合物膜离子选择性膜之间存在疏水作用。在环境水体中使用时，借助此疏水作用可实现吲哚类活性物质从聚合物离子选择性膜中的缓慢释放，进而扩散到电极表面及其周围环境。利用吲哚类活性物质对微生物的生长抑制作用和对细胞膜破坏作用，在传感器表面实现对微生物附着和生物膜形成的抑制作用。高效液相色谱图也进一步的证明吲哚类活性物质能够长期、缓慢地从电极膜相中被释放出来。此外，所述传感器能够对待测离子产生电位响应，实现对环境水体中常见阳离子的检测。
本发明的优点在于：
1.本发明基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器，首次通过将抗污活性物质掺入聚合物灵敏膜内，利用抗污活性物质从敏感膜相中的缓慢释放提高电位型传感器抗污活性。
2.本发明电位型防污传感器能够长期、持续、缓慢地释放抗污活性物质。
3.本发明电位型防污传感器制备简单，易于小型化，制备过程可普适到其它抗污离子选择性电极的制备。
4.本发明电位型防污传感器可应用于多种环境水体或高浓度菌液环境。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的基于6-氯吲哚释放的电位型防污传感器结构的示意图。
图2为本发明实施例2提供的电位型防污传感器在0.5M NaCl溶液中测定不同浓度Ca2+的电位响应图。
图3为本发明实施例3提供的电位型防污传感器在高浓度菌液中连续浸泡7天后在0.5M NaCl溶液中测定不同浓度Ca2+的电位响应图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详述。
本发明基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器，通过将亲脂性吲哚类抗污活性物质掺入聚合膜中，并利用此类抗污活性物质和聚合物离子选择性膜之间的疏水作用实现防污剂的缓释，从而达到长期稳定的防污效果。此外，此类亲脂性微生物生长抑制活性物质具有结构简单、防污性能良好、环境毒性低等优点，不易造成环境二次污染，这使得其在抗污损应用方面具有较好的应用前景。
实施例1
以检测钙离子为例，无内充液的基于6-氯吲哚释放的全固态电位型防污传感器的具体制备步骤如下：
a.防污聚合物膜钙离子选择性敏感膜溶液的制备：6-氯吲哚、PVC颗粒、邻-硝基苯辛醚、钙离子载体和四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠的混合物共360mg，其中为1wt％6-氯吲哚、31.48wt％PVC颗粒、63.06wt％邻-硝基苯辛醚，2.28wt％钙离子载体和2.18wt％四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，移入到3.6mL四氢呋喃溶液中，搅拌6h使之分散均匀，即得到电极敏感膜溶液。
b.圆盘电极的前处理过程：以玻碳圆盘电极为例，将打磨后的圆盘电极经无水乙醇和去离子水超声清洗后，用氮气将电极表面吹干。通过在恒电流0.01414mA下电沉积714s后，在电极表面形成均匀致密的PEDOT(PSS)膜。
c.无内充液的基于6-氯吲哚释放的钙离子选择性电极的制备：将上述表面沉积PEDOT(PSS)传导层的圆盘电极经清洗、室温干燥后，在其表面通过滴涂法修饰100μL防污聚合物钙离子选择性膜溶液，并将修饰后的圆盘电极置于恒温干燥箱干燥过夜备用，所得电极即为基于6-氯吲哚释放的防污钙离子选择性电极(参见图1)。
实施例2
以检测钙离子为例，有内充液的基于6-氯吲哚释放的电位型防污传感器的具体制备步骤如下：
a.防污聚合物膜钙离子选择性敏感膜溶液的制备：6-氯吲哚、PVC颗粒、邻-硝基苯辛醚、钙离子载体和四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠的混合物共360mg，其中为1wt％6-氯吲哚、31.48wt％PVC颗粒、63.06wt％邻-硝基苯辛醚，2.28wt％钙离子载体和2.18wt％四(3,5-二(三氟甲基)苯基)硼酸钠，移入到3.6mL四氢呋喃溶液中，搅拌6h使之分散均匀，即得到电极敏感膜溶液。将电极敏感膜溶液倒入固定在玻璃板上的玻璃环(内径为3.6cm)中，并在常温环境下放置8h，即可得到均匀的聚合物敏感膜。
b.具有内充液的离子选择性电极制备：将上述所得聚合物敏感膜用打孔器打取直径约为0.7cm的聚合物敏感膜，并通过四氢呋喃将打取的膜固定在聚氯乙烯管底部，将10mMCaCl2溶液(0.5mL)注入电极腔内作为内充液，将Ag/AgCl电极插入腔内作为内置导电基体。
实施例3
以检测钙离子为例，利用实施例1获得的基于6-氯吲哚释放的全固态电位型防污传感器对钙离子的电位检测：
a.以实施例1制备得到的防污钙离子选择性电极为工作电极、Ag/AgCl电极为参比电极对不同浓度钙离子进行电位检测；
b.将上述获得的防污钙离子选择性电极置于10-3M CaCl2溶液中活化过夜。使用CaCl2和NaCl配置的1M的钙离子储备液(含0.5M NaCl)，向0.5M NaCl底液中加入不同量上述配置的钙离子储备液，获得系列底液，使底液中的钙离子为10-4、10-3.5、10-3、10-2.5、10-2、10-1.5、10-1M，而后利用活化后电极对不同浓度钙离子进行电位检测，并记录不同浓度钙离子产生的电位值。对钙离子浓度校正后，实验结果参见图2。
由图2可见所得检测灵敏度为22.58mV dec-1,与根据能斯特方程计算的理论灵敏度接近，说明对所构筑的电极对不同浓度的钙离子具有较好的检测性能。
实施例4
以检测钙离子为例，利用实施例1获得的基于6-氯吲哚释放的电位型防污传感器置于高浓度菌液浸泡数天后对钙离子的电位响应：
a.高浓度菌液的培养和配置：将1mL海水与9mL LB培养基混合均匀置于摇床内37℃下培养过夜，而后取1mL过夜培养后的菌液与9mL LB培养基混合均匀并置于摇床内37℃下培养2h。通过离心将细菌与培养基分离，并用无菌生理盐水洗涤细菌3次，而后将细菌分散于无菌生理盐水中以得到浓度为109CFU mL-1的细菌悬浊液备用。
b.将实施例1中所得到的电位型防污传感器置于细菌悬浊液中浸泡5天后，将防污传感器取出清洗，而后置于10-3M CaCl2溶液中活化过夜，对不同浓度钙离子进行电位检测，操作过程依照实施例3步骤b进行。对钙离子浓度校正后，实验结果参见图3。
由图3可见所构筑电极在含有高浓度污损生物的环境下电极性能未受到影响，说明其对污损生物的附着具有较好的抵抗能力。
同时按照实施例1记载的离子选择性敏感膜的制备过程中添加不同的离子选择性载体(如：铅离子载体、钾离子载体等)，即可获得测定不同离子的防污聚合物膜电极，进而可实现上述相同的效果，可见本方法的普适性。
实施例5
以检测钙离子为例，利用上述实施例基于6-氯吲哚释放的电位型防污传感器检测海水样品中钙离子的浓度：
选取渤海海域的海水样品为待测样品，以实施例1中获得的防污传感器为工作电极，Ag/AgCl为参比电极，采用标准加入法测定待测样品中钙离子浓度。取10mL海水样品并向其中加入50μL的0.1M钙离子溶液，根据加入体积产生的浓度变化与所得电位值之间的数学关系公式(能斯特公式)，计算得到海水样品中钙离子浓度，并将得到的分析结果与电感耦合等离子体原子发射光谱法(ICP-OES)分析的结果进行比对，以确保分析的准确性，所得对比结果均在95％-105％之间，说明了较好的检测准确性。
由上述各实施例可见，本发明基于吲哚类活性物质释放的电位型防污传感器仅通过向聚合物敏感膜内掺入吲哚类活性物质即可提高聚合物离子选择性电极的抗污活性，无需复杂的表面化学修饰过程，从而简化了制备步骤。同时本发明基于吲哚类活性物质的电位型防污传感器可持续、长期、缓慢释放抗污活性物，并借助吲哚类活性物质对污损生物生长的抑制作用和对细胞生物膜的破坏作用，实现电位型传感器的抗污损性能，从而解决电位型传感器长期在环境水体中使用易被生物污损的问题。通过改变离子选择性膜中离子载体的种类可实现多种防污离子选择性电极的构筑。

Claims (7)

1.一种电位型防污传感器， 其特征在于：离子选择性电极的导电基底表面涂覆有含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜；其中，吲哚类抗污活性物质的加入量为聚合物膜重量的0.01-1%；
所述含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜为将吲哚类活性物质掺杂到聚合物膜中；其中，聚合物膜为待测离子的离子选择性载体与亲脂性离子交换剂按质量比1:1混合，再加入吲哚类抗污活性物质、膜基体材料和增塑剂，即得。
2.按权利要求1所述的电位型防污传感器，其特征在于：所述吲哚类抗污活性物质为吲哚、6-氯吲哚、6-氨基吲哚、6-溴吲哚或5-甲基吲哚。
3.按权利要求1所述的电位型防污传感器，其特征在于：所述膜基体材料为聚氯乙烯、聚氨酯、硅橡胶、醋酸纤维、聚丙烯酰胺或聚甲基丙烯酸-甲基丙烯酸二甲氨基乙酯；所述增塑剂为邻硝基苯辛醚、邻苯二甲酸二辛酯、邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二异丁酯、己二酸二辛酯或癸二酸二辛酯。
4.按权利要求1所述的电位型防污传感器，其特征在于：离子选择性电极为无内充液的全固态聚合物膜离子选择性电极或含内充液的液膜型离子选择性电极；其中，全固态聚合物膜离子选择性电极是将常规圆盘电极表面涂覆含吲哚类抗污活性物质的聚合物膜制备而成。
5.一种权利要求1所述的电位型防污传感器的应用，其特征在于：
所述电位型防污传感器在对环境水体中常见阳离子检测中实现抗生物污损中的应用。
6.按权利要求5所述的电位型防污传感器的应用，其特征在于：所述常见阳离子为铅离子、铜离子、铁离子、铬离子、钠离子、钾离子、铵根离子、钙离子或镁离子。
7.按权利要求5所述的电位型防污传感器的应用，其特征在于：所述环境水体为湖水、河水或海水。
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