一种含水率检测荧光探针及应用其的装置的制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种含水率检测荧光探针及应用其的装置。所述荧光探针如下述式I所示，可作为检测水的指示剂使用。本发明还提供了一种含有所述荧光探针的装置，所述装置含有吸入式金属探针(1)、信号放大模块(2)、电流/电压转换模块(3)、LCD显示屏(4)、恒电势仪(5)、键盘(6)、存储模块(7)、数模?模数转换模块(8)、电化学传感模块(9)和微处理器(10)。所述装置具有便于携带，检测灵敏度高的优点。
【专利说明】
一种含水率检测荧光探针及应用其的装置
技术领域
[0001] 本发明涉及荧光探测领域，具体而言，本发明涉及一种水分子检测荧光探针及使 用其的检测装置。
【背景技术】
[0002] 在许多工业生产领域如冶金行业、食品加工行业、纺织行业、制药行业等，需要对 物料的含水率进行精确地测量以及监控，以保证产品的质量，降低生产成本，为此，各种不 同类型的含水率在线检测技术得以推广应用。目前，含水率测试方式非常多，但大多含水率 数据的不准确，从而达不到预期效果。
[0003] 林火是影响生态平衡的重要因子，是人类活动与森林内众多因素综合作用的结 果。森林中的可燃物决定了林火的发生以及蔓延，其理化性质、质量分布、结构状态和尺寸 大小等直接影响林火的发展。森林火灾的预测预报是对森林可燃物燃烧危险性进行的一项 预测，结合了气象要素、地形因子、可燃物类型、可燃物干湿程度以及火源因子等进行综合 分析。其中，可燃物含水率是与林火发生发展有着密切关系、同时决定了可燃物点燃难易程 度的重要因子。因此在森林防火工作中，对可燃物含水率的预测就变的尤为重要
[0004] 可燃物含水率是林火行为中一个重要的参数，也可称为可燃物湿度。可燃物含水 率直接影响着森林可燃物达到燃点的速度，以及在林火发生中，可燃物释放热量的多少；间 接影响着林火的发生发展、蔓延速度以及火烧强度。此外，可燃物中的水分还具有冷却的效 应，在林火发生时可以减少可燃物自身的热量。因此，在森林防火工作中，可以根据
[0005] 可燃物含水率来预测火险等级、估计火灾的发生和蔓延，同时还能预测林火发生 过程中释放能量的大小和过火面积，从而为森林火灾扑救工作提供理论和技术支持。所以， 对森林可燃物含水率的预测研究是现代林火管理中最基本同时又是最重要的工作，具有重 要的现实意义。
[0006] 目前尚未有成熟的能直接而准确测量森林可燃物含水率的技术方法，只有一些常 用的间接方法，如平衡含水率与时滞法、气象要素回归法等。这些方法中的可燃物含水率预 报因子一般来自于气象台（站)数据或者人工实地测取。但是这些数据存在范围过大等问 题，不能真实反映森林内小尺度空间的实际环境。另外，还存在含水率测定工作耗时长、耗 费高的问题，导致了森林可燃物含水率和火险预测存在时间滞后，从而降低了预测结果的 实用性。所以，研制出一种森林可燃物含水率检测方法及仪器对当前我国森林防火工作来 说至关重要。
【发明内容】
[0007] 针对上述需求，本发明提供了一种含水率检测荧光探针及应用其的装置。
[0008] 本发明的目的之一是提供了一种可检测水的荧光探针。
[0009] 本发明的另一目的是提供了一种可检测水的装置。
[0010] 本发明的另一目的是提供了一种荧光探针用于检测水分子的用途。
[0011] 本发明的目的是通过下列方法实现的：
[0012] -种含水率检测荧光探针，其以下式表示：
[0014] 所述荧光探针的晶体学数据如下所示：单斜晶系，空间群PSi/r^aiS.lOSeim^b = 1.81242nm，c = 2.70546nm，a= y =90°，0=1〇〇.9〇〇5°，Z = 4，V=10.0156nm3。
[0015] -种含水率检测装置，其包括:吸入式金属探针1、信号放大模块2、电流/电压转换 模块3、LCD显示屏4、恒电势仪5、键盘6、存储模块7、数模-模数转换模块8、电化学传感模块9 和微处理器10。
[0016] 其中，微处理器10与LCD显示器4、键盘6和数模-模数转换模块8分别连接;吸入式 金属探针1与电化学传感模块9连接，电流/电压转换模块3和恒电势仪5分别连接;电化学传 感模块9与信号放大模块2连接，信号放大模块2与电流/电压转换模块3相连接;电化学传感 模块9中含有激发光源和式I所示荧光探针;存储模块7与微处理器10相连。
[0017] 其中，恒电势仪5保证电化学传感模块9的电位恒定；电流/电压转换模块3将电化 学传感模块9的输出电流换成电压，数模-模数转换模块8电压转换成数字量后传输给微处 理器10。
[0018] 式I所述的荧光探针可用于检测水分子。
[0019] 本发明所述的荧光探针对H20的检测具有靶向性，该荧光探针与水分子结合之后， 以410nm为激发光激发，可发出绿色光，当水的浓度增大，其荧光强度也逐渐增大。
[0020] 式I所述的荧光探针与h2〇的作用机理尚不清楚，但两者的结合其可通过各种可能 的化学键，包括共价键、离子键或者非共价键，诸如氢键、范德华力等以形成下述式II的复 合物。
[0022] 以上是式I所述的荧光探针与水分子结合的一种可能结合模式，其中n为整数。
[0023] 如上所述，当n=l时，是等当量结合的方式。如果式I所述的荧光探针结合更多分 子的水，则产生高阶的产物。
[0024] 更高阶的结合可采另一模式，譬如1分子的水与2分子的式I所述的荧光探针结合。
[0025] 众所周知，由于分子间的氢键作用，水常以二聚体的形态存在；因此也可形成多聚 体。
[0026] 水的这种特性也可能与上述主客体分子间的氢键协同，产生更多类型的超分子复 合物，形成超分子聚集体(supra-molecular assemblies)。
[0027] 如此看来，水对式I所述的荧光探针的分子比，3比1、4比1、5比1等等均有存在和实 现的可能。
[0028] 从化学结构看，上述种种复合物，因为包容了更多氢键的受体和供体，在形成氢键 能力特别强大的水中，溶解度必然更好。
[0029] 当然，复合物越高阶，连接越松弛;而且过多的自由羟基将干扰生物平衡，所以追 求太高阶的聚结体意义不大。
[0030] 以上推理，是从主客体分子间以氢键结合为出发点。倘若主客体分子的结合是通 过其它类型的键，详情当有所不同，但导向复合物的研究方向，则同样强烈。
[0031] 针对上述需求，本发明提供了一种含水率，特别是新型森林地被可燃物含水率的 自动监测系统。本监测系统所包含的主要部分为森林地被可燃物含水率监测仪，该监测仪 电路结构简单、工作稳定可靠，具有监测精度高、监测速度快、实时自动记录并储存数据等 优良性能，可广泛用于林业中的森林可燃物含水率的测量
[0032] 本发明中的可燃物含水率监测仪由吸入式金属探针1、信号放大模块2、电流/电压 转换模块3、LCD显示屏4、恒电势仪5、键盘6、存储模块7、数模-模数转换模块8、电化学传感 模块9和微处理器10组成。其中，微处理器10与LCD显不器4、键盘6和数模-模数转换模块8分 别连接;电化学传感模块9与信号放大模块2连接，电流/电压转换模块3和恒电势仪5分别连 接；电化学传感模块9与信号放大模块2连接，信号放大模块2与电流/电压转换模块3相连 接；电化学传感模块9中含有激发光源和式I所示荧光探针;存储模块7与微处理器10相连。 恒电势仪5保证电化学传感模块9的电位恒定；电流/电压转换模块3将电化学传感模块9的 输出电流换成电压，数模_模数转换模块8电压转换成数字量后传输给微处理器10。
[0033] 在本发明中，采用吸入式金属探针1，方便插入含有地被可燃物的溶液中进行测 量，数量为2个，其钢制探针裸露在外，探针尾部采用橡胶保护屏蔽罩，具有防水、防火等功 能。该探针通过两根长度为2米的导线与信号放大模块2相连接。导线外部包裹具有防水、阻 燃功能的保护软管。该探针的吸入液进入电化学传感模块9,与本发明荧光探针进行反应， 并建立电流、荧光强度和可燃物含水率之间的函数关系。
[0034] 本发明中，采用了信号放大模块。该模块可有效地对电化学传感模块9进行放大， 而后传入到电流/电压转换模块3中。
[0035]在本发明中，微处理器10驱动数模-模数转换模块8输出电压，恒电势仪器保证其 电压恒定。
[0036]在本发明中，所选用的LCD显示屏采用了LG2401281芯片，该芯片内部有自带的专 用液晶驱动控制模块和汉字库。
[0037] 在本发明中，所选用的存储模块7采用SD卡读写模块。对监测仪所测得的数据进行 仓|J建、写人、保存。
[0038] 在本发明中，可采用阻燃塑料外盒，对主机进行保护，完全防水、防火，可承受较强 的外力冲击。
【附图说明】
[0039] 图1是本发明荧光探针随水的加入荧光谱图的变化情况；
[0040] 图2是本发明荧光探针对水和乙醇的选择性荧光谱图；
[0041 ]图3是本发明检测仪器的俯视图；
[0042] 图4是本发明检测仪器的正和反平面图；
[0043] 图5是本发明检测仪器的内部结构示意图。 实施例
[0044] 下面通过实施例对本发明作进一步说明。应该理解的是，本发明实施例所述方法 仅仅是用于说明本发明，而不是对本发明的限制，在本发明的构思前提下对本发明制备方 法的简单改进都属于本发明要求保护的范围。除非有特殊说明，实施例中用到的所有原料 和溶剂均贝勾自 Sigma Biochemical and Organic Compounds for Research and Diagnostic Clinical Reagents公司。
[0045] 实施例1:式I荧光探针的合成：
[0046] (1)在装有回流冷凝管的100mL圆底烧瓶中加入0.05mol 2-羟基-3-萘甲醛、3mL冰 醋酸和30mL无水乙醇，用80°C的水浴加热，从冷凝管上端分批滴入约6mL 4-氟邻氨基苯酚。 滴加完毕后，在TLC检测下，回流反应至完全，蒸馏，残液倒入冰水中，则有固体析出，抽滤， 固体再用70%乙醇重结晶，低温干燥，得深黄色固体，产率89.1 %。
[0047] (2)在100mL三口烧瓶中加入0.66g的步骤（1)产物及20mL溶剂无水乙醇，加热溶解 后滴入20mL 50mmol/L的乙酸铜的乙醇溶液，在搅拌回流下反应完全，然后滴加6mL喹啉，继 续回流8h，冷却，过滤，控制溶剂挥发结晶，得无色晶体，即得式I产物。产率:85.2%。熔点： 172。。。
[0048] 4 Mffi(DMS0-d6,300MHz)，S(ppm) :8.90(d，CH，lH)，8.39(s，CH，lH)，8.21(s，CH， 1H)，8.14(d，CH，lH)，8.11(d，CH，lH)，7.96(m，CH，lH)，7.92(d，CH，lH)，7.80(t，CH，lH)， 7.70(m，CH，lH)，7.63(m，CH，lH)，7.57(m，CH，lH)，7.53(m，CH，lH)，7.50(m，CH，lH)，7.43(m, CH,lH),6.97(m,CH,lH),6.79(m,CH,lH),6.70(d,CH,lH).
[0049] 晶体学数据：单斜晶系，空间群P2i/n，a = 2.10561nm，b=1.81242nm，c = 2.70546nm，a= y =90°，0=1〇〇.9〇〇5°，Z = 4，V=10.0156nm3。
[0050]实施例2:本发明荧光探针随水加入当量的增加荧光谱图的变化：
[0051]取实施例1制备的荧光探针溶于无水乙醇中，制成lmmol/L储备液。从储备液中取 出30此加入到5mL的离心管当中，加入不同量(0-80mmol)的去离子水，用无水乙醇稀释至 3mL，测量其荧光性质。以410nm为激发光，荧光光谱如图2所示。由图2可见，随着水加入量的 增加荧光逐渐增强。
[0052]实施例3:本发明荧光探针对水和乙醇的选择性
[0053]为验证本发明荧光探针对水的特异性，排除其对羟基的选择性，进行下述实验。 [0054]从实施例2中荧光探针储备液中取出30yL加入到5mL的离心管当中，分别加入等摩 尔量的无水乙醇标准溶液，其中一个加入等摩尔量的去离子水，30min后以410nm为激发光 检测溶液的荧光发射光谱变化，由图3可以发现，乙醇对本发明荧光探针的荧光几乎没有影 响，而水的加入使荧光探针的荧光显著增强。
[0055] 实施例4:含有本发明荧光探针的监测装置
[0056] 取森林地被可燃物，根据物料不同的性质，采用现有技术中已知的各种方法进行 粉碎，如研磨仪器，优选颚式粉碎机、球磨仪、白式研磨仪、盘式研磨仪、旋转式研磨仪、切割 式研磨仪、刀式研磨仪等;将粉碎的物料放入无水乙醇中，并用无水乙醇将研磨器械冲洗干 净，合并无水乙醇溶液，高速离心，取上层清液备用。
[0057] 按下含水率监测仪0N按键后，即可启动主机。将仪表悬空，IXD显示屏4上显示当前 条件下可燃物含水率(正常条件下，金属探针未吸入可燃物离心液前，显示度数应为〇. 〇〇)。
[0058] 可燃物含水率监测仪，所选用的吸入式金属探针1，采用优质钢材料，质地坚固，可 经受长期腐蚀。钢针为中空结构，方便探针吸入液体(所述液体为上述已经制备好的上层清 液），探针尾部采用橡胶保护屏蔽罩，减少了周围环境变化的影响，同时也可保护探针不受 到损坏。
[0059] 电流/电压转换模块3具有采集、处理信号功能，同时可以差分电压输出。信号放大 模块2传来的放大后的电流信号转换成电压信号，既将电流值、荧光强度与可燃物含水率的 函数关系转换为电压值与可燃物含水率的函数关系。
[0060] 可燃物含水率监测仪带有数据存储模块7。数据存储模块7微处理器10相连接，具 有创建、写入、保持数据文件的功能。通过此模块可以实现实时监测并自动记录可燃物含水 率数据。通过监测仪键盘选择数据记录间隔时间。含水率监测仪可根据使用者的选择自动 将数据记录到SD存储卡中，形成TXT格式数据文件。通过电脑可查看数据文件并进行处理。 [0061 ]微处理器10与IXD显示器4、键盘6和数模-模数转换模块8分别连接;电化学传感模 块9与信号放大模块2连接，电流/电压转换模块3和恒电势仪5分别连接；电化学传感模块9 与信号放大模块2连接，信号放大模块2与电流/电压转换模块3相连接;电化学传感模块9中 含有激发光源和式I所示荧光探针;存储模块7与微处理器10相连。恒电势仪5保证电化学传 感模块9的电位恒定；电流/电压转换模块3将电化学传感模块9的输出电流换成电压，数模-模数转换模块8电压转换成数字量后传输给微处理器10。
[0062]检测时，微处理器10驱动数模-模数转换模块8输出0.8V的电压，恒电势仪5会保持 电化学传感模块9的电位一直恒定在0.8V，在0.8V的电压下电化学传感模块9可以达到最大 的检测灵敏度。然后，吸入的可燃物离心液在电化学传感模块9与预存的荧光探针(可以荧 光探针溶液或涂层的方式预存)发生反应，这时电化学传感模块9的电极会产生电流，电流/ 电压转换模块3把这个电流转换成电压输出给数模-模数转换模块8。这时按动键盘6,微处 理器10会通过采集数模-模数转换模块8的数字量的变化来判断含水率浓度，并通过LCD显 示屏4显示出来。
【主权项】
1. 一种含水率检测荧光探针，其特征在于所述荧光探针以下式表示：2. 根据权利要求1所述的荧光探针，其特征在于所述荧光探针的晶体学数据如下所示： 单斜晶系，空间群？21/]1，& = 2.1〇56111111，匕=1.8124211111，〇 = 2.7〇54611111，(1=丫=9〇°，0 = 100.9005。，Z = 4，V=10.0156nm3。3. -种含水率检测装置，其特征在于包括:吸入式金属探针（1)、信号放大模块(2)、电 流/电压转换模块(3)、LCD显示屏(4)、恒电势仪(5)、键盘(6)、存储模块(7)、数模-模数转换 模块(8)、电化学传感模块(9)和微处理器(10)。4. 根据权利要求3所述的含水率检测装置，其特征在于：微处理器（10)与LCD显示器 (4)、键盘(6)和数模-模数转换模块(8)分别连接;吸入式金属探针（1)与电化学传感模块 (9)连接，电流/电压转换模块(3)和恒电势仪(5)分别连接;电化学传感模块(9)与信号放大 模块(2)连接，信号放大模块(2)与电流/电压转换模块(3)相连接;电化学传感模块(9)中含 有激发光源和式I所示荧光探针;存储模块(7)与微处理器(10)相连。5. 根据权利要求4所述的含水率检测装置，其特征在于:恒电势仪(5)保证电化学传感 模块(9)的电位恒定；电流/电压转换模块(3)将电化学传感模块(9)的输出电流换成电压， 数模-模数转换模块(8)电压转换成数字量后传输给微处理器(10)。6. 根据权利要求5所述的含水率检测装置，其特征在于:数模-模数转换模块(8)包括数 模转换器和模数转换器。7. 权利要求1或2所述的荧光探针用于检测水分子方面的用途。
【文档编号】G01N21/64GK106053419SQ201610624411
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年8月2日
【发明人】孙龙, 胡海清
【申请人】东北林业大学