一种基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光传感器

摘要

本发明公开了一种基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光传感器，该荧光传感器为将4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、聚氯乙烯（PVC）、癸二酸二异辛酯及新蒸的四氢呋喃（THF）构成的混合溶液滴加在疏水化处理过的石英玻片上，并在空气中干燥而制成，并且将荧光传感器安装在聚四氟乙烯流通池中溶液流通池的顶部，待测样品以1.5ml/min的速度输入溶液流通池，在水中荧光载体的最大激发波长和两个发射波长处测量荧光强度，按照校正方程式测出锌离子的含量，检测过程简单，灵敏度高，检测结果精确，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

说明书

技术领域

本发明属于锌离子检测技术领域，尤其涉及一种基于不对称卟啉荧光比 检测锌离子的荧光传感器。

背景技术

锌离子是维持机体正常生长发育、新陈代谢的重要物质。但是，许多实 验和流行病学调查已经证实，如果锌在人体内含量过高，将会抑制吞噬细胞 的活性和杀菌力，从而降低人体的免疫功能，对疾病易感性增加，故测定锌 离子的多少可检测某些病症，如神经系统，前列腺等。

目前国内外测定锌离子的方法主要有离子色谱法、高效毛细管电泳法、 溶出伏安法、示波极谱法、荧光分析法和分光光度测定法等，这些方法的检 测过程复杂，费时费力，灵敏度低，检测结果不精确。

发明内容

本发明提供了一种基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光传感器，旨 在解决现有技术提供的检测锌离子的方法，检测过程复杂，费时费力，灵敏 度低，检测结果不精确的问题。

本发明的目的在于提供一种基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光 传感器，该荧光传感器为将4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、 聚氯乙烯（PVC）、癸二酸二异辛酯及新蒸的四氢呋喃（THF）构成的混合 溶液滴加在疏水化处理过的石英玻片上，并在空气中干燥而制成。

进一步，该荧光传感器的制备方法的具体步骤为：

将3.0mg的4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、50mg的聚 氯乙烯（PVC）、100mg的癸二酸二异辛酯及2ml新蒸的四氢呋喃（THF） 混合，并在超声波的作用下进行充分溶解混合；

将疏水化处理过的石英玻片置于饱和的四氢呋喃（THF）气氛中，在旋 转制膜装置中以每分钟600转的频率旋转，同时向石英玻片上滴加0.2ml的 上述溶液，旋转20s后将石英玻片取出放在空气中干燥数分钟，得到附在石 英玻片上4μm厚的淡黄色敏感膜，置于阴暗干燥处保存。

进一步，4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）的制备方法为：

（1）5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉由四苯基卟啉直接硝化

2.0g四苯基卟啉溶解到300ml的氯仿中，用恒压滴液漏斗滴加发烟硝 酸3.4g，并保持反应温度在0-5℃，反应2h，反应产物由TLC不断监测以 保证由反应物的Rf=0.88到生成产物Rf=0.78；

用5×300ml水洗涤得到黑绿色溶液，然后用硫酸镁和碳酸钠干燥， 浓缩到70ml，过硅胶柱，然后用氯仿洗涤，只收集单硝基四苯基卟啉物质， 得到5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉，产率为55%，M⁺=659；

2.50g5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉溶解到80ml的浓盐酸 中，加入二氯化锡2.6g，加热到65℃，一小时后，倒入到300ml冷水中， 用饱和氢氧化铵调节pH到8.0，水相用6×300ml氯仿萃取，用硫酸镁干 燥，有机相用旋转蒸发仪浓缩为100ml，通过硅胶柱提纯，二氯甲烷为淋洗 液，洗脱物为5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉1.75g，产率75%， M⁺=629。

进一步，所述旋转制膜装置由发动机、旋转池构成，所述石英玻片放置 在所述旋转池中，所述旋转池与所述发动机的动力输出轴传动连接。

进一步，对石英玻片疏水化处理的实现方法为：

将直径13mm的石英玻片依次浸在铬酸洗液、3%的HF溶液、10%的 H2O2溶液、二次蒸馏水中；

0.2mlTSPM、2ml0.2moll-1HAc-NaAc的缓冲液和8ml二次蒸馏水混 合制得TSPM溶液，石英玻片在此溶液中浸泡3h后用水冲洗，室温下干燥 备用，l-1HAc-NaAc缓冲液的pH为3.6。

本发明的另一目的在于提供一种用于检测锌离子的聚四氟乙烯流通池， 该聚四氟乙烯流通池包括：聚丙烯池体、溶液流通池、紧固螺栓、荧光传感 器、溶液进入通道、溶液流出通道、双臂光纤；

所述溶液进入通道及溶液流出通道与所述溶液流通池相连通，所述溶液 流通池设置在所述聚丙烯池的内部，所述溶液流通池的上部设置有所述荧光 传感器，所述荧光传感器通过所述紧固螺栓固定在所述聚丙烯池体的下部， 所述荧光传感器，所述双臂光纤的一端接在荧光仪上，另一端插入到所述聚 丙烯池体的下部并紧贴所述荧光传感器。

进一步，所述双臂光纤的直径为8mm，长度为1m，所述荧光仪中的激 发光源为150W氙灯，检测器为R928F红外敏感光电倍增管。

进一步，锌离子检测的实现方法为：

待测样品以1.5ml/min的速度输入溶液流通池，在荧光传感器分子的最 大激发波长和发射波长处，荧光仪测量待测样品的荧光强度，并按照校正方 程式测出锌离子的含量。

进一步，当Zn²⁺的浓度在1.0×10^-6～1.0×10^-4moll^-1范围内，校正方程为： F₀/F=1.1826+203504[Zn²⁺]，这里r=0.9983，F₀和F分别是光极膜与空白溶 液、不同浓度Zn²⁺溶液接触时在651nm处的荧光强度。

进一步，若考虑446nm处荧光强度随Zn²⁺的浓度的增加反而降低的现 象，在相同浓度范围内，利用446nm和651nm处的荧光强度的变化来考虑 荧光强度与Zn²⁺的浓度的关系，校正方程为：F₀-F₀’/F-F’=1.0719+390432 [Zn²⁺]，这里r=0.9992，F₀’和F’分别是光极膜与空白溶液、不同浓度Zn²⁺溶 液接触时在446nm处的荧光强度。

本发明提供的基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光传感器，该荧光 传感器为将4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、聚氯乙烯（PVC）、 癸二酸二异辛酯及新蒸的四氢呋喃（THF）构成的混合溶液滴加在疏水化处 理过的石英玻片上，并在空气中干燥而制成，并且将荧光传感器安装在聚四 氟乙烯流通池中溶液流通池的顶部，待测样品以1.5ml/min的速度输入溶液 流通池，在水中荧光载体的最大激发波长和两个发射波长处测量荧光强度， 按照校正方程式测出锌离子的含量，检测过程简单，灵敏度高，检测结果精 确，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

附图说明

图1是本发明实施例提供的5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉 （ATPP）的质谱图；

图2是本发明实施例提供的旋转制膜装置的结构示意图；

图3是本发明实施例提供的聚四氟乙烯流通池的结构示意图；

图4是本发明实施例提供的固定激发波长390nm，最大发射波长448nm 和651nm处所测量的荧光光谱图，其中纵坐标为相对荧光强度值，横坐标为 波长；

图5是本发明实施例提供的溶液酸度对ATPP光极膜的影响示意图；

图6是本发明实施例提供的用荧光比法所得锌离子校正曲线与单独用荧 光法测得锌离子校正曲线。

图中：21、发动机；22、旋转池；23、石英玻片；31、聚丙烯池体；32、 溶液流通池；33、紧固螺栓；34、荧光传感器；35、溶液进入通道；36、溶 液流出通道；37、双臂光纤。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实 施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定发明。

本发明的目的在于提供一种基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光 传感器34，该荧光传感器34为将4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、 聚氯乙烯（PVC）、癸二酸二异辛酯及新蒸的四氢呋喃（THF）构成的混合 溶液滴加在疏水化处理过的石英玻片23上，并在空气中干燥而制成。

在本发明实施例中，该荧光传感器34的制备方法的具体步骤为：

将3.0mg的4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）、50mg的聚 氯乙烯（PVC）、100mg的癸二酸二异辛酯及2ml新蒸的四氢呋喃（THF） 混合，并在超声波的作用下进行充分溶解混合；

将疏水化处理过的石英玻片23置于饱和的四氢呋喃（THF）气氛中， 在旋转制膜装置中以每分钟600转的频率旋转，同时向石英玻片23上滴加 0.2ml的上述溶液，旋转20s后将石英玻片23取出放在空气中干燥数分钟， 得到附在石英玻片23上4μm厚的淡黄色敏感膜，置于阴暗干燥处保存。

在本发明实施例中，4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟啉（ATPP）的制 备方法为：

（1）5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉由四苯基卟啉直接硝化

2.0g四苯基卟啉溶解到300ml的氯仿中，用恒压滴液漏斗滴加发烟硝 酸3.4g，并保持反应温度在0-5℃，反应2h，反应产物由TLC不断监测以 保证由反应物的Rf=0.88到生成产物Rf=0.78；

用5×300ml水洗涤得到黑绿色溶液，然后用硫酸镁和碳酸钠干燥， 浓缩到70ml，过硅胶柱，然后用氯仿洗涤，只收集单硝基四苯基卟啉物质， 得到5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉，产率为55%，M⁺=659；

2.50g5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉溶解到80ml的浓盐酸 中，加入二氯化锡2.6g，加热到65℃，一小时后，倒入到300ml冷水中， 用饱和氢氧化铵调节pH到8.0，水相用6×300ml氯仿萃取，用硫酸镁干 燥，有机相用旋转蒸发仪浓缩为100ml，通过硅胶柱提纯，二氯甲烷为淋洗 液，洗脱物为5-（4-氨基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉1.75g，产率75%， M⁺=629。

图2示出了本发明实施例提供的旋转制膜装置的结构。为了便于说明， 仅示出了与本发明相关的部分。

旋转制膜装置由发动机21、旋转池22构成，石英玻片23放置在旋转池 22中，旋转池22与发动机21的动力输出轴传动连接。

在本发明实施例中，对石英玻片23疏水化处理的实现方法为：

将直径13mm的石英玻片23依次浸在铬酸洗液、3%的HF溶液、10% 的H2O2溶液、二次蒸馏水中；

0.2mlTSPM、2ml0.2moll-1HAc-NaAc的缓冲液和8ml二次蒸馏水混 合制得TSPM溶液，石英玻片23在此溶液中浸泡3h后用水冲洗，室温下 干燥备用，l-1HAc-NaAc缓冲液的pH为3.6。

图3示出了本发明实施例提供的用于检测锌离子的聚四氟乙烯流通池的 结构。为了便于说明，仅示出了与本发明相关的部分。

该聚四氟乙烯流通池包括：聚丙烯池体31、溶液流通池32、紧固螺栓 33、荧光传感器34、溶液进入通道35、溶液流出通道36、双臂光纤37；

溶液进入通道35及溶液流出通道36与溶液流通池32相连通，溶液流 通池32设置在聚丙烯池的内部，溶液流通池32的上部设置有荧光传感器34， 荧光传感器34通过紧固螺栓33固定在聚丙烯池体31的下部，荧光传感器 34，双臂光纤37的一端接在荧光仪上，另一端插入到聚丙烯池体31的下部 并紧贴荧光传感器34。

在本发明实施例中，双臂光纤37的直径为8mm，长度为1m，荧光仪 中的激发光源为150W氙灯，检测器为R928F红外敏感光电倍增管。

在本发明实施例中，锌离子检测的实现方法为：

待测样品以1.5ml/min的速度输入溶液流通池32，在荧光传感器34分 子的最大激发波长和发射波长处，荧光仪测量待测样品的荧光强度，并按照 校正方程式测出锌离子的含量。

在本发明实施例中，当Zn²⁺的浓度在1.0×10^-6～1.0×10^-4moll^-1范围内， 校正方程为：F₀/F=1.1826+203504[Zn²⁺]，这里r=0.9983，F₀和F分别是光 极膜与空白溶液、不同浓度Zn²⁺溶液接触时在651nm处的荧光强度。

在本发明实施例中，若考虑446nm处荧光强度随Zn²⁺的浓度的增加反 而降低的现象，在相同浓度范围内，利用446nm和651nm处的荧光强度的 变化来考虑荧光强度与Zn²⁺的浓度的关系，校正方程为：F₀-F₀’/F- F’=1.0719+390432[Zn²⁺]，这里r=0.9992，F₀’和F’分别是光极膜与空白溶液、 不同浓度Zn²⁺溶液接触时在446nm处的荧光强度。

下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。

本发明技术方案如下：

一、荧光传感器34的制备

ATPP（3.0mg），PVC(50mg)，癸二酸二异辛酯(100mg)和2ml新蒸的 四氢呋喃混合在超声波帮助下溶解。在自制的旋转制膜装置中，将疏水化处 理过的玻片置于饱和的THF的气氛中，以每分钟600转的频率旋转，同时 向玻片上滴加0.2ml上述溶液，旋转20s后将玻片取出放在空气中干燥数 分钟，得到附在玻片上厚约4μm的淡黄色敏感膜，置于阴暗干燥处保存。

二、荧光传感器34的应用

将上述荧光传感器34装入聚四氟乙烯流通池的顶端，待测样品以 1.5ml/min的速度输入流通池，在水中荧光传感器34分子的最大激发波长和 发射波长处测量荧光强度，并按照校正方程式测出锌离子的含量。

本发明荧光传感器34的制备方法优选如下步骤：

（1）样品的制备4-氨基苯基-10,15，20-二苯基卟啉（ATPP）

5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉由四苯基卟啉直接硝 化：2.0g四苯基卟啉溶解到300ml的氯仿中（氮保护），用恒压滴液 漏斗滴加发烟硝酸3.4g，并保持反应温度在0-5℃，反应2h,反应产 物由TLC不断监测以保证由反应物的Rf=0.88到生成产物Rf=0.78 （用氯仿硅胶板）。用5×300ml水洗涤得到黑绿色溶液，然后用 硫酸镁和碳酸钠干燥，浓缩到70ml，过硅胶柱，然后用氯仿洗涤。 只收集单硝基四苯基卟啉物质，得到5-（4-硝基苯基）-10，15，20- 三苯基卟啉，产率55%，M⁺=659。

2.50g5-（4-硝基苯基）-10，15，20-三苯基卟啉溶解到80ml的 浓盐酸中（氮气保护），加入二氯化锡2.6g，加热到65℃，一小时后， 然后倒入300ml冷水中，用饱和氢氧化铵调节pH到8.0，水相用6× 300ml氯仿萃取，用硫酸镁干燥，有机相用旋转蒸发仪浓缩为100ml， 通过硅胶柱提纯，二氯甲烷为淋洗液，洗脱物为5-（4-氨基苯基）-10， 15，20-三苯基卟啉1.75g，产率75%，M⁺=629。

（2）荧光传感器34的制备

玻片的疏水化处理：将石英玻片23（直径13mm）依次浸在 铬酸洗液，3%HF，10%H₂O₂，二次蒸馏水中。将0.2mlTSPM，2 ml0.2moll-1HAc-NaAcpH3.6的缓冲液和8ml二次蒸馏水混合制 得TSPM溶液。玻片在此溶液中浸泡3h后，用水冲洗，在室温下干 燥备用。

光极膜的制备：ATPP（3.0mg），PVC(50mg)，癸二酸二异辛酯 (100mg)和2ml新蒸的四氢呋喃混合在超声波帮助下溶解。在自制的 旋转制膜装置（图2）中，将疏水化处理过的玻片置于饱和的THF 的气氛中，以约每分钟600转的频率旋转，同时向玻片上滴加0.2ml 上述溶液，约旋转20s后将玻片取出放在空气中干燥数分钟，得到 附在玻片上厚约4μm的淡黄色敏感膜。置于阴暗干燥处保存。

（3）荧光传感器34的应用

将附着光极膜的石英玻片23由螺母固定在自制的聚四氟乙烯流 通池（图1）顶端，膜面朝下，使光极膜与样品溶液接触。一支双臂 光纤37（直径8mm，长度1m）一端接在荧光仪上，另一端插入流通 池并紧贴玻片反面。

在带计算机数据处理系统的PerkingElmerLS55荧光仪上进行荧 光测量，光源为150W氙灯，检测器为R928F红外敏感光电倍增管。

激发光源发出的辐射通过双臂光纤37的一端传输到流通池中照 射玻片表面，并激发光极膜中的荧光物质，发射的荧光再由另一端传 输返回到检测器进行测定。样品溶液由蠕动泵以1.5ml/min的速度输 入流通池，光极膜与样品溶液达到平衡后可得一个稳定的荧光强度 值。本发明的荧光化学荧光传感器34可应用于水中锌离子含量的测 定，见图3。

实施例1：将制得的荧光化学传感器装入流通池中，蠕动泵以 1.5ml/min的速度将样品输入流通池，样品溶液为含不同浓度Zn²⁺溶 液。在固定最大激发波长为390nm，测量光极膜的发射波长446nm和 651nm处的荧光强度，在溶液pH值为7.0时，Zn²⁺能猝灭此ATPP光极 膜的荧光，记录光极膜与样品溶液达到平衡时的荧光强度，绘制光极 膜荧光强度随Zn²⁺含量改变的荧光响应图，当Zn²⁺的浓度在1.0×10^-6～ 1.0×10^-4moll^-1范围内两者之间呈现一定的线性关系。其校正方程为： F₀/F=1.1826+203504[Zn²⁺](r=0.9983)，（这里F₀和F分别是光极膜与 空白溶液、不同浓度Zn²⁺溶液接触时在651nm处的荧光强度）。若考虑 446nm处荧光强度随Zn²⁺的浓度的增加反而降低的现象，在相同浓度 范围内,利用446nm和651nm处的荧光强度的变化（荧光比）来考虑荧 光强度与Zn²⁺的浓度的关系，其校正方程为：F₀-F₀’/F- F’=1.0719+390432[Zn²⁺](r=0.9992)，（这里F₀’和F’分别是光极膜与空 白溶液、不同浓度Zn²⁺溶液接触时在446nm处的荧光强度）。可以作为 ATPP传感器测定Zn²⁺含量的定量关系，将两个图放在一起比较，可以 得到如下结论：用荧光比法所得Zn²⁺校正曲线的斜率（图6中曲线2） 比单独用荧光法（图6中曲线1）测得Zn²⁺校正曲线的斜率误差小。

图4是本发明实施例提供的固定激发波长390nm，最大发射波 长448nm和651nm处所测量的荧光光谱图，其中纵坐标为相对荧光 强度值，横坐标为波长。Zn²⁺含量从高到低依次为(moll^-1):（1）0； （2）1.0×10^-5moll^-1；（3）4.0×10^-5moll^-1；（4）8.0×10^-5moll^-1；（5） 1.0×10^-4moll^-1；（6）2.0×10^-4moll^-1。

图6是本发明实施例提供的当Zn²⁺的浓度在1.0×10^-6～1.0×10^-4moll^-1范围内，其校正方程为：F₀/F=1.1826+203504[Zn²⁺] (r=0.9983)，（这里F₀和F分别是光极膜与空白溶液、不同浓度Zn²⁺ 溶液接触时在651nm处的荧光强度）。若考虑446nm处荧光强度随 Zn²⁺的浓度的增加反而降低的现象，在相同浓度范围内，利用446nm 和651nm处的荧光强度的变化（荧光比）来考虑荧光强度与Zn²⁺的 浓度的关系，其校正方程为：F₀-F₀’/F-F’=1.0719+390432[Zn²⁺] (r=0.9992)，（这里F₀’和F’分别是光极膜与空白溶液、不同浓度Zn²⁺溶液接触时在446nm处的荧光强度）。

本发明实施例提供的基于不对称卟啉荧光比检测锌离子的荧光 传感器34，该荧光传感器34为将4-氨基苯基-10，15，20-二苯基卟 啉（ATPP）、聚氯乙烯（PVC）、癸二酸二异辛酯及新蒸的四氢呋 喃（THF）构成的混合溶液滴加在疏水化处理过的石英玻片23上， 并在空气中干燥而制成，并且将荧光传感器34安装在聚四氟乙烯流 通池中溶液流通池32的顶部，待测样品以1.5ml/min的速度输入溶液 流通池32，在水中荧光载体的最大激发波长和两个发射波长处测量 荧光强度，按照校正方程式测出锌离子的含量，检测过程简单，灵敏 度高，检测结果精确，实用性强，具有较强的推广与应用价值。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在 本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应 包含在本发明的保护范围之内。