一种基于共轭聚合物的二氧化碳原位检测方法与流程

文档序号:11131468阅读:1152来源:国知局
一种基于共轭聚合物的二氧化碳原位检测方法与制造工艺

本发明属于环境/食品/医学/生物检验测定技术以及化学传感/分析领域,具体涉及一种基于共轭聚合物的二氧化碳原位检测方法。



背景技术:

二氧化碳(CO2)不仅对维持大气循环、生态平衡、碳循环有着很大的作用,也在人类生活的工农业生产中有着很重要的作用。CO2的浓度为环境规划、农业种植、畜牧业养殖提供参考,更可以为提前预测火山爆发、地震及海啸提供巨大帮助。但是,随着人类社会的高速发展,大量天然含碳资源被燃烧和消耗,使得过量的CO2被排放到大气中,大大增加了空气中CO2的浓度,形成了“温室效应”,导致地球表面温度升高。在封闭空间内,过高含量的CO2会危害人类的健康,例如,精神萎靡,头痛、心跳加速、永久性脑损伤、昏迷甚至死亡。因此,对于CO2的捕获及检测的研究越来越得到广泛的关注。

作为高等有机体的关键代谢产物之一,CO2是调节呼吸运动和维持有机体体液离子平衡以及正常酸碱度的重要角色;而且由于它具有一定的水溶性、良好的生物相容性和生物膜通透性,所以其代谢过程与有机体多项生命活动息息相关。同时大气中二氧化碳的浓度,是植物生长的限制因子,对植物光合作用有很大的影响,实验结果表明如果大气中二氧化碳的浓度低到其补偿点时,光合作用强度仅能补偿呼吸作用的消耗。当大气二氧化碳的浓度从补偿点增加一定浓度时,光合作用强度几乎成正比地直线增加;但当浓度再升高,后者不会继续增加。大气中二氧化碳的浓度过高反而对植物呼吸起抑制作用,从而间接影响光合作用。因此,实现对二氧化碳含量以及转化的检测,在探索植物生命活动的规律以及控制温室气体排放和优化农业生产等方面具有重大意义。

目前,CO2的检测分析方法通常依赖红外光谱、气相色谱和电化学的方法来进行定性或定量分析。但是,这些方法需要的仪器体积庞大,造价昂贵,并且需要经过专门训练的操作人员进行操作,无法满足对现场环境的实时检测。近年来,新型刺激响应共轭聚合物的研究引起了科研人员的浓厚兴趣,由于共轭聚合物强的捕获光的能力和荧光信号放大功能,检测体系的检测灵敏度大大提高,广泛应用于病原微生物、金属离子、小分子化合物以及疾病相关生物标志物的高灵敏诊断和检测领域。



技术实现要素:

本发明的目的之一是提供一种共轭聚合物。

本发明所提供的共轭聚合物,其结构式如式I所示:

上述式I中,n代表聚合度,n=4~20,具体可为7~18,x+y=1,x=0.80~0.95,y=0.05~0.2,m=1~12,具体可为3,z=2~12,具体可为2;R1选自下述基团中的任一:

具体可为

R2为亚烷基或被氧间断的亚烷基链,具体可为-CH2-。

具体地,上述式I所示共轭聚合物为式II所示聚合物:

式II中,x+y=1,x:y=19:1(x=0.95,y=0.05),n=7~18。

上述式I所示共轭聚合物在二氧化碳检测中的应用也属于本发明的保护范围。

本发明的再一个目的是提供一种基于上述式I所示共轭聚合物肉眼可视化检测二氧化碳浓度的方法。

本发明所提供的基于上述式I所示共轭聚合物肉眼可视化检测二氧化碳浓度的方法,包括下述步骤:

(1)将式I所示共轭聚合物溶于水,得到共轭聚合物的水溶液;

(2)配制一系列已知浓度的CO2水溶液,将所述一系列已知浓度的CO2水溶液分别逐一与步骤(1)中的共轭聚合物的水溶液以相同的体积比进行混合,得到一系列含不同浓度CO2的共轭聚合物的标准溶液;

(3)用紫外灯对步骤(2)中得到的一系列含不同浓度CO2的共轭聚合物的标准溶液依次逐一进行照射,并用照相机拍摄下相应的照片,得到一系列对应于已知浓度的CO2的标准溶液的照片;

(4)将未知浓度的CO2水溶液与步骤(1)中的共轭聚合物的水溶液以步骤(2)中的体积比进行混合,用紫外灯对得到的混合液进行照射,并用照相机拍摄下相应的照片;

(5)将步骤(4)中得到的照片与步骤(3)中得到的一系列标准溶液的照片进行对比,得到CO2的浓度。

上述方法步骤(1)中,所述共轭聚合物的水溶液的浓度可为0.1~20mg/mL;具体可为0.5mg/mL。

步骤(2)中,所述一系列已知浓度的CO2水溶液中,所述一系列已知浓度包括0至CO2在水中的饱和浓度范围内的间隔均匀的浓度。所述一系列已知浓度具体可依次为0mM、0.15mM、0.30mM、0.45mM、0.61mM、0.76mM、0.91mM、1.07mM、1.22mM、1.38mM、1.53mM、2.29mM、3.06mM、4.59mM、6.12mM、12.24mM、15.29mM、30.59mM、45.88mM、61.17mM、74.94mM。

所述体积比具体可为:CO2水溶液的体积:共轭聚合物的水溶液的体积=10.0μL:490μL。

步骤(3)中,所述紫外灯为365nm紫外灯,其功率为24W,照射时样品与紫外灯的距离为1-5cm。

本发明的再一个目的是提供一种基于上述式I所示共轭聚合物定量检测二氧化碳浓度的方法。

本发明所提供的基于上述式I所示共轭聚合物定量检测二氧化碳浓度的方法,包括下述步骤:

(1)将式I所示共轭聚合物溶于水,得到共轭聚合物的水溶液;

(2)配制一系列已知浓度的CO2水溶液,将所述一系列已知浓度的CO2水溶液分别逐一与步骤(1)中的共轭聚合物的水溶液以相同的体积比进行混合,得到一系列含不同浓度CO2的共轭聚合物的标准溶液;

(3)在激发光作用下,对步骤(2)中得到的一系列标准溶液依次进行荧光检测,分别记录所述一系列标准溶液中共轭聚合物的荧光发射光谱以及其FRET ratio值;

其中,所述FRET ratio指含不同CO2浓度的溶液中的共轭聚合物的荧光共振能量转移的两个特定受体与供体峰值的荧光强度比值。

(4)根据步骤(3)中得到的所述一系列标准溶液中共轭聚合物的FRET ratio值以及与其对应的标准溶液中的CO2的浓度,做出标准曲线;

(5)将未知浓度的CO2水溶液与步骤(1)中的共轭聚合物的水溶液以步骤(2)中的体积比进行混合,在所述激发光的作用下,对得到的含CO2的共轭聚合物的溶液进行荧光检测,记录所述溶液中共轭聚合物的荧光发射光谱以及其FRET ratio值;参照步骤(4)中的标准曲线,得到CO2的浓度。

上述方法步骤(1)中,所述共轭聚合物的水溶液的浓度可为0.1~20mg/mL;具体可为0.5mg/mL。

步骤(2)中,所述一系列已知浓度的CO2水溶液中,所述一系列已知浓度包括0至CO2在水中的饱和浓度范围内的间隔均匀的浓度。所述一系列已知浓度具体可依次为0mM、0.15mM、0.30mM、0.45mM、0.61mM、0.76mM、0.91mM、1.07mM、1.22mM、1.38mM、1.53mM、2.29mM、3.06mM、4.59mM、6.12mM、12.24mM、15.29mM、30.59mM、45.88mM、61.17mM、74.94mM。

所述体积比具体可为:CO2水溶液的体积:共轭聚合物的水溶液的体积=10.0μL:490μL。

步骤(3)中,所述激发光的波长为375-450nm,具体可为380nm。

步骤(3)中,所述FRET ratio为所述标准溶液中的共轭聚合物在536nm波长处的荧光强度I2与所述标准溶液在418nm波长处的荧光强度I1的比值,即I2/I1

整个检测在0-30度的温度下进行。

本发明的实质性特点为:提出将共轭聚合物材料与CO2的响应基元结合,通过共价连接或者非共价组装的方式将CO2的响应基元引入到不同的共轭聚合物体系中,获得一系列结构不同的共轭聚合物或者共轭聚合物与含有CO2响应基元的基体物质(聚合物或者寡聚物)自组装形成的超分子聚合物体系,通过CO2与其响应基团反应使共轭聚合物或者组装体的电荷、极性或者粘度发生变化,从而控制共轭聚合物及其组装体之间的静电相互作用、主链间的π-π相互作用及侧链的亲疏水性,进而调控共轭聚合物的聚集状态或者构象,通过其链间或链内能量转移效率的改变发展基于聚集诱导的荧光共振能量转移(FRET)技术的CO2智能响应材料和传感体系,并通过考察不同结构的共轭聚合物及CO2响应基元与CO2的响应速度、敏感性及特异性的构效关系,优化共轭聚合物结构及组装体的组成获得CO2的简单、定量、肉眼可视、高灵敏度且抗干扰的传感方法。

本发明基于共轭聚合物作为荧光探针,通过CO2调控共轭聚合物的荧光共振能量转移(FRET)效率,进而获得CO2的简单、定量、肉眼可视、高灵敏度且抗干扰的传感方法此外,该荧光探针也可用于绿色植物的光合作用强度的原位检测。

本发明的有益效果为:通过CO2调控共轭聚合物的FRET效率对CO2进行检测,避免了共价连接、酶催化等复杂的化学生物程序,可以快速、简便的应用于生物化学传感。与传统的CO2检测方法相比,本发明处理快速、简便、肉眼可视,高灵敏度;并且,本发明无需复杂的仪器设备,样品处理简单,成本低。此外,本发明也可以利用共轭聚合物薄膜实现对CO2肉眼可视,响应迅速的检测。因此,本发明在医学/食品/环境/生物检验测定技术以及化学传感/分析领域具有应用价值。

附图说明

图1为制备PFBT(式II所示化合物)的反应方程式。

图2为本发明实施例1中测量的含有不同浓度CO2的共轭聚合物溶液中的共轭聚合物的荧光光谱。

图3为CO2浓度与聚合物PFBT的FRET ratio值的关系图。

图4为不同CO2浓度对应的溶液的颜色变化图。

图5为实施例3中液体样品中CO2浓度与R/B和G/B比值的关系图。

图6为实施例4中R/B和G/B比值随着放置时间的变化。

图7为实施例5中不同时间点温室中聚合物的荧光Ratio值。

图8为PFBT(式II所示化合物)的1H-NMR谱图。

具体实施方式

下面通过具体实施例对本发明进行说明,但本发明并不局限于此。

下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明,均为常规方法;下述实施例中所用的试剂、材料等,如无特殊说明,均可从商业途径得到。

下述实施例基于式II所示聚合物进行二氧化碳浓度的检测。

所述式II所示聚合物是根据图1所示的反应方程式按照包括下述步骤的方法制备得到的:

将1,3-二溴丙烷(2.3ml,22.61mmol)和2,7-二溴芴(0.5g,1.55mmol)混合加热至60℃,向混合物中依次加入TBAB(四丁基溴化铵)(0.14g,0.43mmol)和KOH(10ml,50%)溶液,并加热至75℃,搅拌20分钟,然后冷却至室温将有机层分别用H2O,1M HCl和H2O洗涤,用二氯甲烷多次萃取混合物,然后用无水硫酸镁干燥,减压蒸馏除去溶剂和过量的1,3-二溴丙烷,将混合物用石油醚/二氯甲烷(9:1)作为洗脱剂,通过硅胶色谱柱法提纯产物,得到白色固体(化合物2)。

在氮气保护下,将化合物2和叠氮化钠(NaN3)以及二甲基亚砜置于烧瓶中,在70℃下混合搅拌8h。冷却至室温后,加入适量水,用氯仿萃取,有机层用水洗涤,然后用无水硫酸镁干燥。减压除去残余的DMSO,将混合物用石油醚/二氯甲烷(9:1)作为洗脱剂,通过硅胶色谱柱法提纯产物,得到白色固体(化合物3)。

将3(0.03g,0.061mmol)、四氢呋喃(0.03g,0.137mmol)、水和三苯基膦(PPh3)0.04g,0.153mmol)在室温下搅拌12小时,除去溶剂,在真空下干燥残余物。将残余物和二碳酸二叔丁酯溶于四氢呋喃中,并将该溶液在室温下搅拌12小时。减压除去溶剂,石油醚/乙酸乙酯(3:1)为展开剂,通过柱色谱法提纯产物,得到淡黄色固体(化合物4)。

将盐酸(1.5mL,37%),化合物4(0.25g,0.39mmol),以及二氯甲烷16mL加入到圆底烧瓶中。将混合物在50℃下搅拌16小时。冷却到室温后,在减压下除去溶剂。将剩余物溶于甲醇中,并加入26%的KOH溶液。除去甲醇,剩余物用二氯甲烷萃取。将有机层用水洗涤,然后用无水硫酸镁干燥。除去溶剂,将剩余物溶解在甲醇中。并向此溶液中加入丙烯酸甲酯(0.175ml)、硼酸(2.45mg)和水。将混合物在室温下搅拌12小时。除去溶剂和过量丙烯酸甲酯,剩余物用二氯甲烷萃取。将有机层用水洗涤并用无水硫酸镁干燥。除去二氯甲烷后,用石油醚/乙酸乙酯将残余物(1:1)作为洗脱剂,分离得到油状物(单体5)。

PFBT(式II所示化合物)的合成:氮气保护下,单体5(100mg,0.128mmol),2,2-二甲基-1,3-丙二醇-1,4-苯二硼酸酯(40.77mg,0.135mmol),4,7-二溴-2,1,3-苯并噻二唑(2.06mg,0.007mmol)加入2mL甲苯中,溶解后加入1.6mL的Na2CO3溶液(2.0M)和催化量的钯催化剂PdCl2(dppf)(10mg),混合后升温到85℃反应两天。反应液冷却至室温后,除去溶剂后,加入甲醇。将溶液加入到丙酮中,得到沉淀物。将沉淀物再溶解于甲醇和3mL的NaOH水溶液(9.1%)。将混合物在50℃下搅拌12小时。冷却至室温后,除去甲醇,把得到的混合物用渗析袋渗析三天(M=3500g/mol)得到褐色固体,产物的表征:1H-NMR:(400MH2,d6-D2O)δ(ppm)5.29(br),3.51-3.46(br),3.18(br),3.00(br),2.56(br),2.39(br),1.03-0.99(br)。

实施例1、检测含有不同浓度CO2的共轭聚合物溶液的荧光光谱。

(a)制备4℃下CO2的饱和水溶液:连续在4℃水中通入纯净的CO2气体30min以上,获得饱和的CO2水溶液,此时CO2的浓度为74.94mM;

(b)将饱和CO2水溶液与ddH2O按不同比例混合,制得一系列含有不同CO2浓度的标准溶液(0mM、0.15mM、0.30mM、0.45mM、0.61mM、0.76mM、0.91mM、1.07mM、1.22mM、1.38mM、1.53mM、2.29mM、3.06mM、4.59mM、6.12mM、12.24mM、15.29mM、30.59mM、45.88mM、61.17mM、74.94mM);

(c)分别将10.0μLPFBT(0.5mg/mL)加入到490μL步骤(b)中不同浓度的CO2溶液中;

(d)用荧光分光光度计或多功能酶标仪测量步骤(c)的样品的荧光光谱,激发波长为380nm;

图2为本发明实施例1中测量的含有不同浓度CO2的共轭聚合物溶液中的共轭聚合物的荧光光谱,从图中可以看出,随着CO2浓度的升高,共轭聚合物的FRET ratio逐渐升高。

实施例2、CO2浓度与聚合物PFBT在荧光共振能量转移的两个特定受体与供体峰值的荧光强度比值(FRET Rratio(I536nm/I418nm)的对应关系曲线。

根据实施例1中步骤(d)得到的荧光光谱,计算不同CO2浓度时聚合物PFBT的FRET ratio值,图3为不同CO2浓度对应的聚合物PFBT的FRET ratio值。

由图3可知,FRET ratio值越大说明CO2的浓度越高。

表1 CO2浓度与聚合物PFBT的FRET ratio值的关系

从图3或表1中可以看出,随着CO2浓度的升高,聚合物的FRETratio值越高。

实施例3、通过紫外灯照射下拍摄液体样品照片的RGB与二氧化碳浓度的标准曲线判断CO2的浓度的大小。

在365nm的紫外灯下用数码相机拍摄实施例1中含不同浓度CO2的样品。通过肉眼观察颜色变化,CO2浓度差别5%的两种样品可通过肉眼直接判别浓度大小。采用Photoshop软件定量分析不同样品中红(R),绿(G),蓝(B)三原色数值。绘制R/G/B比率变化图(R/B为x轴和G/B为y轴)。如图4所示,随着CO2浓度的增加,R/B和G/B比值的也增加,样品颜色由蓝色逐渐变为黄绿色。

从图4可以看出,不含CO2的样品呈亮度较高的蓝色荧光;含有饱和浓度CO2的样品呈亮度较高的黄绿荧光。

实施例4、将聚合物浸染在混合纤维素脂膜上,通过紫外灯照射下拍摄样品膜照片的RGB的变化与二氧化碳浓度的标准曲线实现对CO2的器件化检测

将10.0μL(0.5mg/mL)PFBT溶于490μL的ddH2O中(4℃),并将载体膜浸泡在其中5min,在365nm的紫外灯下直接观察膜的颜色为蓝色,用数码相机拍摄此时的载体膜,然后用PS软件分析其红(R),绿(G),蓝(B)的值。

将含有聚合物的膜分别放置在充满CO2气体的环境内(4℃)0min,3min,6min,10min其对应的浓度分别为0mM,6.7mM,13.4mM,22.3mM,随后放在365nm的紫外灯下照射并用数码相机拍摄不同颜色荧光的载体膜,用PS软件分析其红(R),绿(G),蓝(B)的值,绘制R/G/B比率变化图。如图6所示,随着放置时间的增加R/B和G/B比值的也增加,样品膜的颜色由蓝色逐渐变为黄色。

因此,通过对载体膜颜色变化的分析表明本应用可以器件的方式对CO2实现肉眼可见的检测。

实施例5、检测温室大棚内的二氧化碳含量。

(a)选择将测试样品放置温室大棚的中间位置,并关闭温室的通风设备;

(b)将20.0μL(0.5mg/mL)PFBT溶于980μL的水溶液,然后将检测样品放置在步骤(a)中的位置10min;

(c)以380nm为激发波长,进行荧光检测,记录中聚合物的荧光发射光谱,得到该温室大棚内气体在不同时间点对聚合物的荧光共振能量转移效率的影响。

图7为不同时间点温室中聚合物的荧光Ratio值。

(d)通过聚合物荧光Ratio值变化分析可以看出在白天由于植物的光合作用温室内CO2的浓度降低低其对应的Ratio值随之变小,晚上的时候植物的呼吸作用增强温室内CO2的浓度升高其对应的Ratio值随之增大,符合植物生长的特性。因此,本发明能实现对温室内二氧化碳的原位检测。

根据以上实施例我们可以看出,聚合物的荧光共振转移效率Ratio值越大,说明样品中CO2浓度越高。

所述对照样品(即溶液中无CO2)在365nm紫外灯下呈现蓝色;所述饱和CO2水溶液的标准溶液在365nm紫外灯下呈现黄绿色。待测样品的颜色越接近于黄绿色说明CO2含量越大。

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