专利名称：一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜及其制备方法和应用的制作方法
技术领域：
本发明属于探针技术领域，具体涉及一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜及其制备方法和应用。
背景技术：
钾离子是人体中十分重要的元素之一，作为一种血液电解质，它与心血管系统紧密相连^血清钾浓度的改变会引起高血钾症或者低血钾症，它们都会危及心率，最终对心脏和血压的正常功能造成危害2。因此，检测血液中钾离子的含量具有重要的临床意义。最初，检测血液电解质的方法只有火焰原子光谱法，后来又陆续发展出了原子吸收光谱、原子发射光谱和毛细管电泳法等3。现今用得最多的是离子选择性电极，已经被广泛应用于商品化的血液分析仪中。大部分的临床检测应用的依然是光学分析法，因此，当离子选择性电极被整合进血液分析仪中时，它们需要特别的模块和额外的校正，在这种情况下，光学器件显然更为适合。作为其中一种选择，高分子光学传感膜已被用于检测血液电解质4。在传感膜中加入对参考离子(通常为氢离子)有选择性的第二种载体(通常为亲脂性的pH探针，叫做显色离子载体)，则目标离子的活度可以通过检测显色离子载体的质子化程度来得到，该响应是基于竞争性的离子交换平衡机理进行的5。因为离子选择性电极和光极都是基于离子选择载体进行响应的，它们对干扰离子应该有相似的选择性。光学传感膜通常都应用于血浆和血清样品中的血液电解质的检 测4’6_8，而很少有应用于全血体系中的报道，因为全血会在紫外和可见光区有严重的背景吸收、自发荧光和散射。虽然这种干扰可以通过光学隔离技术进行消除9，寻找一种不进行任何光学处理就能应用全血体系检测的光极依然具有很重要的意义。相对于自带发光和识别基团的荧光离子选择性探针1(1_13，高分子离子选择性传感膜有个突出的缺点，就是因为体系中的显色离子载体是PH敏感的而对pH也会有响应，所以检测对象需要进行PH校正。然而，因为血液本身就是自缓冲体系，这个缺点在应用到血液体系检测时可以被忽略。如果想要把荧光离子选择性探针应用于全血检测，这个探针的激发和发射都需要在近红外区以避免背景干扰，这就需要该探针中有大的共轭基团，同时，对于离子识别基团的响应范围和选择性也要有一定要求，这就使得探针的设计和合成充满了挑战性。与之相反，光学传感膜最主要的优点就是可以通过调整离子载体和显色离子载体来实现检测对象及其响应范围的方便调整，而且，通过引入另一个惰性荧光探针，得到的体系可以结合传统离子选择性光极和引入探针这两者的优点14’15。这里我们所使用的惰性荧光探针是上转换纳米棒。上转换纳米材料通常由980纳米的激光器激发，它可以通过多光子过程将低能量的激发光转化为高能量的发射光，它的发射光通常在可见光区和近红外区，较大的反斯托克斯位移也保证了两个发射峰和激发光之间彼此能被明确区分，因此生物样品的自发荧光能够得到最大限度的降低，也同时保证了生物样品不会受到破坏16。因为这些特性，上转换纳米材料被广泛应用于生物标记和生物成像17_19，其中也包括血管成像2°，21。然而，与很多将其应用在均相生物检测的报道相比，将其应用于可逆光学检测的报道则少了很多22_26，尤其是将其用于血液检测的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题，是提供一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜。本发明还要解决的技术问题，是提供上述上转换光学传感膜的制备方法。本发明最后要解决的技术问题，是提供上述上转换光学传感膜的应用。在前期的工作中，发明人证明了基于上转换纳米棒的高分子光学传感膜在较低pH(4.8)下可以在缓冲溶液中检测金属离子，并且初步将这个传感膜应用于全血背景中，证明这个体系是可行的26。该体系中应用的显色离子载体ETH5418pKa较低，限制了当时的实验只能在较低的PH中进行，但是通过优化体系组分，可以实现在生理pH下的血液检测。因此，发明人制备了钾离子选择光极，该光极将上转换材料和增塑的PVC膜结合在一起，结合可逆的离子交换平衡和内滤效应进行检测。由于上转换材料激发波长在近红外区，得到的传感器可以成功用于检测未知羊血浆和全血样品中的钾离子浓度，得到的结果与用离子选择性电极和等离子体耦合质谱(ICP-MS)得到的结果一致。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下:一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，它包括如下重量百分比的组分:显色离子载体ETH52940.26%_0.27% ；离子交换剂NaTFPB0.91%-0.94% ；钾离子选择性载体BME-441.87%_1.92% ；上转换纳米棒1.98%-2.10%;聚氯乙烯PVC和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯(DOS)按质量比1:2的混合物补足至100%。其中，膜的厚度为5-7 μ m。其中，所述的上转换纳米棒为NaYF4 = Er, Yb纳米棒。 上述用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备方法，将配方量的显色离子载体ETH5294、离子交换剂NaTFPB、钾离子选择性载体BME-44、上转换纳米棒、聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯混合，用有机溶剂溶解，充分混匀后在基质上均匀涂膜，室温避光干燥成型即得。其中，所述的有机溶剂为四氢呋喃或环己酮。其中，有机溶剂的加入体积与显色离子载体ETH5294、离子交换剂NaTFPB、钾离子选择性载体BME-44、上转换纳米棒、聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯总重量的比为 IOmL:lg0其中，所述的基质为光纤、或石英片、或不被所用有机溶剂溶解的透光性塑料基
底 。上述用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜在血浆或全血样品中钾离子的检测中的应用。有益效果该传感膜能对生物样品中的钾离子进行检测，因为上转换材料的激发和发射都在近红外区，血液背景的干扰可以被最大限度的消除，使得血液检测的灵敏度和选择性得到保证。相对于传统的有机染料体系，光极可产生高强度荧光。将该光极应用于血浆和全血样品的检测，样品可以不用进行光学处理，检测结果与用等离子耦合质谱及电化学方法得到的结果相匹配。
图1. ETH5294在O. OlM氢氧化钠(a)和O. OlM盐酸(b)中的紫外吸收光谱；上转换材料在PVC-DOS体系中的荧光发射谱(激发波长980nm)。图2.基于上转换纳米材料的钾离子传感膜在pH7. 4的缓冲溶液中对钾离子的响应。(a)10_5M-10_2M对应的响应光谱；(b)以656nm处的峰强度与542nm峰强度比值得到的响应曲线；(c)以656nm处峰强度得到的响应曲线，其中I。为光极膜在O. OlMTris-HCl中的荧光强度。R2为线性拟合的误差系数。图3.光极的重复性和响应时间示意图。通过将光极在10_2M和10_4M氯化钾溶液中来回交换并记录656nm处的光强得到。图4.基于上转换纳米材料的钾离子选择性光极在模拟全血中对钾离子的响应曲线。(a)以656nm处的峰强度与542nm峰强度比值得到的响应曲线；(b)以656nm处峰强度得到的响应曲线，其中I。为光极膜在O. OlM Tris-HCl中的荧光强度。R2为线性拟合的误
差系数。图5.在lW980nm激光照射下3mL水溶液在10分钟内温度变化。图6.标准加入法测定未知全血中钾离子的浓度(a)光谱图；(b)测量得到的数据点和计算得到的线性曲线。
具体实施例方式根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。以下实施例所用材料及仪器如下油酸，YbCl3,ErCl3 和 YCl3 · 6H20 从 Alfa Aesar 购得，NaF 从 Acros Organics 购得，四氢呋喃(THF)、PVC和癸二酸二(2-乙基己基)酯(DOS)购于Sigma-Aldrich。阳离子交换剂四[3，5-二-(三氟甲基)苯]硼酸钠(NaTFPB)购于Dojindo Laboratores。显色离子载体ETH5294和钾离子载体BME-44均从Fluka购得。缓冲溶液所有的缓冲溶液均用IOmM的Tris配成，溶液的pH用O.1M的盐酸溶液调节至7. 4。模拟全血溶液中无机盐浓度的模拟血液中含除钾以外的其它无机阳离子，包括140mM氯化钠，ImM氯化镁和2mM氯化I丐,用调节至生理pH的IOmM的Tris-盐酸溶液溶解。这个模拟血液被用作配制钾离子标准溶液的背景溶液。羊血浆和全血均用PH7. 4的Tris-盐酸缓冲溶液稀释十倍后再进行测定，测定时采用标准加入法。仪器X射线粉末衍射在岛津XRD-6000上完成，用的是铜靶的Ka射线(λ=0.15418nm)。紫外光谱数据在NOnOdrOp-2000C光谱仪上得到。扫描电子显微镜图像(SEM)由日立S-4800扫描电子显微镜得到。上转换荧光光谱在卓立ZLX-UPL上转换荧光光谱仪上测得，所用光源为外接的lw980nm激光器。实施例1:NaYF4:Er, Yb纳米棒的合成。NaYF4IEr, Yb纳米棒的合成是根据文献进行的26。具体步骤为:将氢氧化钠(1.2g，30mmol)，水(7mL)，乙醇(12mL)和油酸(22mL)混合在一起，搅拌使其形成一种透明的溶液。在不停的磁力搅拌下加入总量为Immol的稀土氯化物(共2mL，0.5M，稀土离子的掺杂比例按照摩尔比JSmoP/oY+ZOmoP/oYb+Zmolffir)水溶液，搅拌均匀后逐滴加入IM的氟化钠溶液5mL。搅拌混合溶液大约lOmin，将它们转移到一个50mL的水热反应釜中，封装，在195°C水热处理16h。待自然冷却后，用环己烷溶解和收集样品，加入乙醇使样品析出，离心分离，用乙醇和水反复洗涤几次后真空干燥。实施例2:用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备。按如下重量百分比将各组分配制成IOOmg混合物:显色离子载体ETH52940.26% ；离子交换剂NaTFPB0.91% ；钾离子选择性载体BME-441.87% ；上转换纳米棒(实施例1制得)1.98% ；聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯按质量比1:2的混合物补足至100%。上述混合物用ImL的THF溶解。所得溶液剧烈晃动0.5h后超声至少0.5h，得到均匀溶液。用移液器取50 μ L的混合溶液均匀的涂在一个干净的长方形石英片上,使用前让溶剂避光挥发0.5小时，得到用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，膜的厚度为5-7 μ m。测定时，由涂有光极膜的石英片垂直的插在石英池内完成。离子在溶液中的活度均根据Debye - Huckel公式计算得到，实验数据均经过三次重复测量后得到。响应时间和重复性实验是通过将光极在10_2M和10_4M氯化钾溶液中来回交换得到，每次放入后，连续记录光极在656nm处的峰强度至少十分钟，得到响应曲线。选择性系数采用分别溶液法测量得到。ETH5294的pKa和BME-44的结合常数通过夹心膜的方法得到27’28。检测金属离子的光学传感膜中通常含有对氢离子有响应的显色离子载体，通过对缓冲溶液PH的调节，金属离子与氢离子形成竞争并达到平衡。其中的离子平衡可如下式所示:
权利要求
1.一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，其特征在于，它包括如下重量百分比的组分: 显色离子载体 ETH52940.26%-0.27% ； 离子交换剂 NaTFPB0.91%-0.94% ； 钾离子选择性载体BME-441.87%-1.92% ； 上转换纳米棒1.98%-2.10% ； 聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯按质量比1:2的混合物补足至100%。
2.根据权利要求1所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，其特征在于，膜的厚度为5-7 μ m。
3.根据权利要求1所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，其特征在于，所述的上转换纳米棒为NaYF4 = Er, Yb纳米棒。
4.权利要求1所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备方法，其特征在于，将配方量的显色离子载体ETH5294、离子交换剂NaTFPB、钾离子选择性载体BME-44、上转换纳米棒、聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯混合，用有机溶剂溶解，充分混匀后在基质上均匀涂膜，室温避光干燥成型即得。
5.根据权利要求4所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备方法，其特征在于，所述的有机溶剂为四氢呋喃或环己酮。
6.根据权利要求4或5所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备方法，其特征在于，有机溶剂的加入体积与显色离子载体ETH5294、离子交换剂NaTFPB、钾离子选择性载体BME-44、上转换纳米棒、聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯总重量的比为IOmL:1g0
7.根据权利要求4所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜的制备方法，其特征在于，所述的基质为光纤、或石英片、或不被所用有机溶剂溶解的透光性塑料基底。
8.权利要求1所述的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜在血浆或全血样品中钾离子的检测中的应用。
全文摘要
本发明公开了一种用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜，它包括如下重量百分比的组分显色离子载体ETH5294 0.26%-0.27%；离子交换剂NaTFPB 0.91%-0.94%；钾离子选择性载体BME-44 1.87%-1.92%；上转换纳米棒1.98%-2.10%；聚氯乙烯和增塑剂癸二酸二(2-乙基己基)酯按质量比1:2的混合物补足至100%。本发明还公开了上述上转换光学传感膜的制备方法和应用。本发明的用于血钾荧光检测的上转换光学传感膜可以测定血浆和全血样品中的钾离子浓度，得到的结果和用等离子体耦合质谱以及电化学传感器得到的结果具有可比性，说明该光极有潜在的应用前景。
文档编号G01N21/64GK103076315SQ20131000309
公开日2013年5月1日 申请日期2013年1月4日 优先权日2013年1月4日
发明者秦玉, 谢亮霞 申请人:南京大学