一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器及应用的制作方法

本发明涉及一种可用于次氯酸检测的荧光传感器和应用，具体来说，涉及可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器及应用，属于化学材料制备及分析检测领域。

背景技术：

活性氧物种(ROS)是广泛存在于生物细胞中一种非常重要的物种，其在生物细胞中的信号传导、分化、迁移和细胞免疫中均起着非常重要的作用。但是ROS都拥有共同的特性既在生物体内的活性较高、含量较低、分布不均，如何去探索他们在生物体内的功用变得尤为重要。内源性的次氯酸（HOCl）作为ROS中的重要的一员，是过氧化氢（H₂O₂）与氯离子在髓过氧化物酶(MPO)的催化下反应得到的。此外，HOCl被自然界中的多种生物以细菌杀手的身份用于防御系统。作为一种高效的杀菌武器，其机理是由于细菌缺少分解HOCl的酶而必然受到HOCl强氧化性，高活性的作用，导致细菌死亡。在人体内，HOCl也是非常重要的，正常水平的HCOl对于人体健康的维持非常重要。然而人体内HOCl水平的异常变化时会导致如下的疾病：如关节炎，动脉硬化症等。目前，HOCl被应用到一些食品制品的表面处理和生活用水的消毒处理，这些处理难免会残留一定量的HOCl，长期摄入含有HOCl的水或者食品，对人体的消化系统也会产生不利影响。并且次氯酸因强氧化性和漂白性，使得含有HOCl的生活用水会给日常生活带来诸多不便。

目前，已经发展起来的检测次氯酸的方法很多，但是主要以小分子传感器为主。然而，涉及到小分子传感器，便不能忽视其所特有的缺陷，首先是小分子传感器大多数在纯有机溶剂或者混合溶剂中工作，因为有机溶剂的生物毒性限制了它的可应用性；其次是小分子传感器在水中会因为彼此之间的π-π相互作用导致聚集，进一步限制了可应用性。这也导致这类传感器在实际检测中运用的可行性降低。因此，发明一种简单、低成本、优良的水溶性、生物毒性低、且高效的快速检测技术具有相当重要的现实意义和应用前景。近年来，聚合物荧光传感器因其优异的水溶性、低细胞毒性、无有机溶剂残留、可设计性强、高灵敏度、高选择性等优点，受到了越来越多的关注，在化学、医学和环境科学等研究领域显示了极其广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器及应用，该荧光传感器以聚乙二醇单甲醚链转移剂（PEG-TTC），苯乙烯（St），4-溴-1,8-萘酰二酐和异硫氰酸烯丙酯为原料制备。进一步应用研究表明，该荧光传感器能够实现对次氯酸的高灵敏度、高选择性的快速比率检测。

本发明的目的是通过下述方式实现的：

一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器，由两亲性接枝共聚物在水中自组装而成，所述两亲性接枝共聚物的结构式为：

式中n/x/y为90~10：20~5：1，R为C₆-C₂₀的正烷基中的一种。

一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器的制备，包括以下步骤：

（1）将一定量的4-（2-氨乙基）吗啉和4-溴-1,8-萘酰二酐溶解于乙二醇甲基醚中，置于N₂保护和避光的条件下，快速升温至110~130℃搅拌4小时，再加一定量的蒸馏水沉淀，抽滤得到所需产物，真空干燥，得产物1；

（2）取一定量的产物1溶解于乙二胺，将混合溶液置于避光和N₂保护的条件下70~90℃搅拌4小时，反应结束后旋转蒸发除去大部分（85~95%）乙二醇甲基醚，过柱提纯产物，真空干燥，得到产物2；

（3）将一定量的产物2和异硫氰酸烯丙酯溶解于乙醇与二氯甲烷体积比为1：1的混合溶液中，置于N₂保护和避光的条件下，20~30℃搅拌4小时，反应结束后抽滤，真空干燥，得产物3；

（4）将聚乙二醇单甲醚链转移剂（PEG-TTC,分子量为5000）、苯乙烯、产物3和偶氮二异丁腈溶解于0.5~2 mL的N,N-二甲基酰胺（DMF）中，保持聚乙二醇单甲醚链转移剂浓度为0.01~0.1 mol/L，冰浴条件下抽真空-充氮气循环三次，然后快速升温至80~100℃反应4小时，反应结束后用乙醚沉淀，抽滤，真空干燥，得产物4；

（5）取步骤（2）合成的产物4配成一定浓度的四氢呋喃(THF)溶液，然后取以0.1~0.4 mL的溶液定容到1 mL，在快速搅拌的条件下将10 mL的水缓慢加入到上述溶液中，滴加完成之后继续搅拌10~30 min，然后在室温下减压除去THF，定容到10 mL得到所需的荧光传感器，即一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器。

根据上述制备方法制备的聚合物荧光传感器，所述步骤（1）中，4-（2-氨乙基）吗啉和4-溴-1,8-萘酰二酐摩尔比为1~2:1；所述步骤（2）中，产物1在乙二胺中的浓度为0.1~1 mol/L；所述步骤（3）中，N-(氨乙基吗啉)-4-氨乙基-1,8-萘酰二酐和异硫氰酸烯丙酯的摩尔比为1:1~2；保持N-(氨乙基吗啉)-4-氨乙基-1,8-萘酰二酐在混合溶液中的浓度为0.01~0.1 mol/l；所述步骤（4）中，聚乙二醇单甲醚链转移剂（PEG-TTC）、苯乙烯、产物1和偶氮二异丁腈摩尔比为3.5:660~688:12~40:1；所述步骤（5）中，产物2在四氢呋喃中的浓度为0.5~3 mg/mL。

根据上述制备方法制备的荧光传感器，其具体的反应过程如下：

式中n/x/y为90~10:20~5:1，R为C₆-C₂₀的正烷基中的一种。

本发明提供了一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器在比率检测次氯酸中的应用。

本发明以聚乙二醇单甲醚链转移剂（PEG-TTC），苯乙烯（St），4-溴-1,8-萘酰二酐和异硫氰酸烯丙酯为原料来制备所需要的聚合物荧光传感器，该聚合物荧光传感器在的pH为5的缓冲溶液稀释之后，在有HOCl存在时，在444 nm处会随着HOCl浓度的增加出现显著的荧光增强现象，而在551 nm处，随着HOCl浓度的增加呈现明显的荧光下降现象，进而表现出明显的比率检测效果。并且随着次氯酸浓度的增加，可见光下溶液逐渐由明亮的绿色变为无色，而在紫外光下，溶液由明亮的绿色荧光逐渐变为明亮的蓝色荧光。显示出明显的比色效果。而且该荧光传感器对次氯酸的检测具有明显的高选择性快速响应，并且能达到高灵敏度检测的效果。相比于现有的一些检测技术，本发明中的荧光化学传感器成本投入较少，合成路线简单、后处理方便、可直接对次氯酸实现快速特异性识别，尤其是在溶酶体等生理环境pH为5左右的生物体内环境的应用有着极其重要的意义。

总而言之，本发明提供了一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器及其应用，该聚合物荧光传感器制备简单，灵敏度高，有望在生物材料科学领域得到广泛应用。

附图说明

图1为制备的聚合物荧光传感器的粒径图。

图2为制备的聚合物荧光传感器对次氯酸的识别示意图。

图3为不同HOCl浓度时，聚合物荧光传感器的荧光发射光谱变化图（激发波长：420 nm），[HOCl] = 0（a），1.0×10^-7 mol/l（b）, 2.0×10^-7 mol/l（c）, 3.0×10^-7 mol/l（d），6×10^-7 mol/l（e），1.0×10^-6mol/l（f）, 1.5×10^-6mol/l（g）, 2×10^-6 mol/l（h），3.0×10^-6mol/l（i）。

图4为聚合物荧光传感器随HOCl浓度变化的荧光强度变化值对应的拟合曲线和该曲线所对应的函数图。

图5为各种离子对该聚合物荧光传感器荧光比率强度的选择性对比数据图，加入后的离子的浓度均为5.0×10^-5 mol/l，次氯酸浓度为1.0×10^-6 mol/L，I₄₄₄和I₅₅₁为各离子和过氧化物加入前后的荧光传感器在以420nm为激发波长，444 nm和551 nm为发射波长处的荧光强度变化值。

图6为各种离子对聚合物荧光传感器的荧光比率强度的干扰性对比数据图，加入后的各种离子的浓度均为5.0×10^-5 mol/l，次氯酸浓度为1.0×10^-6 mol/L，I₄₄₄和I₅₅₁为各离子和过氧化物加入前后的荧光传感器在以420nm为激发波长，444 nm和551 nm为发射波长处的荧光强度变化值。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种可比率检测次氯酸的荧光传感器的制备，具体步骤以下：

（1）将4-溴-1,8-萘酰二酐（10 mmol）和4-（2-氨乙基）吗啉（10 mmol）溶解于乙二醇甲基醚（10 mL）中，置于N₂保护和避光的条件下，快速升温至120℃搅拌4小时，反应结束后直接加入到40 mL的蒸馏水沉淀，抽滤得到所需产物，真空干燥，得产物1；

（2）取步骤（1）合成的产物1（3 mmol）溶解于10 mL的乙二胺，将混合溶液置于避光和N₂保护的条件下80℃搅拌4 h，反应结束后旋转蒸发除去大部分（85~95%）乙二醇甲基醚，过柱提纯产物，真空干燥，得到产物2；

（3）将步骤（2）合成的产物2（0.82 mmol）溶解于乙醇（8 mL）与二氯甲烷（6 mL） 的混合溶液中，异硫氰酸烯丙酯（0.90 mmol）溶于2 mL的二氯甲烷中，置于N₂保护和避光的冰浴条件下，将溶有异硫氰酸烯丙酯的二氯甲烷溶液缓慢滴加到溶有N-(氨乙基吗啉)-4-氨乙基-1,8-萘酰二酐的混合溶液中，滴加完成之后25℃搅拌4小时，反应结束后抽滤，真空干燥，得产物3，收率为68%；

（4）取步骤（3）合成的产物3（0.2 mmol），与PEG-TTC（0.02 mmol）、苯乙烯（3.8 mmol）和偶氮二异丁腈(0.0057 mmol)一起溶于1 mL的DMF中，冰浴条件下抽真空和充氮气循环三次。升温至90℃反应4 h，反应结束后用15 mL乙醚沉淀，离心，真空干燥，得到黄绿色固体产物4；

（5）取步骤（4）合成的产物4配制为浓度为2 mg/mL的四氢呋喃(THF)溶液，然后取0.2 mL的溶液定容到1 mL，在快速搅拌的条件下将10 mL的水缓慢加入到上述溶液中，滴加完成之后继续搅拌30 min，然后利用常温减压方法除去THF，定容到10 mL得到所需的荧光传感器，即一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器。该聚合物荧光传感器以纳米粒子的形式存在，其粒径数据如图1所示。

实施例2：一种可比率检测次氯酸的荧光传感器的制备，具体步骤以下：

（1）将4-溴-1,8-萘酰二酐（10 mmol）和4-（2-氨乙基）吗啉（10 mmol）溶解于乙二醇甲基醚（10 mL）中，置于N₂保护和避光的条件下，快速升温至120℃搅拌4小时，反应结束后直接加入到40 mL的蒸馏水沉淀，抽滤得到所需产物，真空干燥，得产物1；

（2）取步骤（1）合成的产物1（3 mmol）溶解于10 mL的乙二胺，将混合溶液置于避光和N₂保护的条件下80℃搅拌4 h，反应结束后旋转蒸发除去大部分（85~95%）乙二醇甲基醚，过柱提纯产物，真空干燥，得到产物2；

（3）将步骤（2）合成的产物2（0.82 mmol）溶解于乙醇（8 mL）与二氯甲烷（6 mL） 的混合溶液中，异硫氰酸烯丙酯（0.82 mmol）溶于2 mL的二氯甲烷中，置于N₂保护和避光的冰浴条件下，将溶有异硫氰酸烯丙酯的二氯甲烷溶液缓慢滴加到溶有N-(氨乙基吗啉)-4-氨乙基-1,8-萘酰二酐的混合溶液中，滴加完成之后25℃搅拌4小时，反应结束后抽滤，真空干燥，得产物3；

（4）取步骤（3）合成的产物3（0.4 mmol），与PEG-TTC（0.02 mmol）、苯乙烯（3.6 mmol）和偶氮二异丁腈(0.0057 mmol)一起溶于1 mL的DMF中，冰浴条件下抽真空和充氮气循环三次。升温至90℃反应4 h，反应结束后用15 mL乙醚沉淀，离心，真空干燥，得到黄绿色固体产物4；

（5）取步骤（4）合成的产物4配制为浓度为2 mg/mL的四氢呋喃(THF)溶液，然后取0.2 mL的溶液定容到1 mL，在快速搅拌的条件下将10 mL的水缓慢加入到上述溶液中，滴加完成之后继续搅拌30 min，然后利用常温减压方法除去THF，定容到10 mL得到所需的荧光传感器，即一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器。该聚合物荧光传感器以纳米粒子的形式存在，其粒径数据如图1所示。

实施例3：一种可比率检测次氯酸的荧光传感器的制备，具体步骤以下：

（1）将4-溴-1,8-萘酰二酐（10 mmol）和4-（2-氨乙基）吗啉（10 mmol）溶解于乙二醇甲基醚（10 mL）中，置于N₂保护和避光的条件下，快速升温至120℃搅拌4小时，反应结束后直接加入到40 mL的蒸馏水沉淀，抽滤得到所需产物，真空干燥，得产物1；

（2）取步骤（1）合成的产物1（3 mmol）溶解于10 mL的乙二胺，将混合溶液置于避光和N₂保护的条件下80℃搅拌4 h，反应结束后旋转蒸发除去大部分（85~95%）乙二醇甲基醚，过柱提纯产物，真空干燥，得到产物2；

（3）将步骤（2）合成的产物2（0.82 mmol）溶解于乙醇（8 mL）与二氯甲烷（6 mL） 的混合溶液中，异硫氰酸烯丙酯（1.07 mmol）溶于2 mL的二氯甲烷中，置于N₂保护和避光的冰浴条件下，将溶有异硫氰酸烯丙酯的二氯甲烷溶液缓慢滴加到溶有N-(氨乙基吗啉)-4-氨乙基-1,8-萘酰二酐的混合溶液中，滴加完成之后25℃搅拌4小时，反应结束后抽滤，真空干燥，得产物3；

（4）取步骤（3）合成的产物3（0.1 mmol），与PEG-TTC（0.02 mmol）、苯乙烯（3.9 mmol）和偶氮二异丁腈(0.0057 mmol)一起溶于1 mL的DMF中，冰浴条件下抽真空和充氮气循环三次。升温至90℃反应5 h，反应结束后用15 mL乙醚沉淀，离心，真空干燥，得到黄绿色固体产物4；

（5）取步骤（4）合成的产物4配制为浓度为2 mg/mL的四氢呋喃(THF)溶液，然后取0.2 mL的溶液定容到1 mL，在快速搅拌的条件下将10 mL的水缓慢加入到上述溶液中，滴加完成之后继续搅拌30 min，然后利用常温减压方法除去THF，定容到10 mL得到所需的荧光传感器，即一种可比率检测次氯酸的聚合物荧光传感器。该聚合物荧光传感器以纳米粒子的形式存在，其粒径数据如图1所示。

实施例4：次氯酸的检测实验。

取9个5 mL样品瓶，分别加入实施例1中所得的荧光传感器溶液0.3 mL（该聚合物荧光传感器原溶液的浓度为0.02 mg/mL），依次加入2.7 mL的pH为5的缓冲溶液溶液，搅拌3min之后分别将浓度为[HOCl] = 0（a），1.0×10^-4 mol/L（b），2.0×10^-4 mol/L（c），3.0×10^-4 mol/L（d），6×10^-4 mol/L（e），1.0×10^-3mol/L（f），1.5×10^-3mol/L（g），2×10^-3 mol/L（h），3.0×10^-3 mol/ L（i）的3µl次氯酸溶液加入9个样品瓶中，常温下搅拌1 min后，以420nm为激发波长，分别测定每个样品的荧光发射光谱，得9个样品的荧光发射光谱变化图，见图3。测定结果表明：该聚合物荧光传感器在444 nm处的荧光强度随着次氯酸浓度的逐渐增加而逐步上升，而在551 nm处的荧光强度明显下降。根据图3中444 nm和551 nm处荧光强度比率变化值与浓度的变化关系可作出对应的拟合后的比较理想的函数曲线图和该曲线所对应的函数图（y=a +b*x，a=0.0460，b=0.0012，R²=0.9972），见图4。

实施例5：其它离子和过氧化物影响的对比检测实验。

取14个5 mL样品瓶，分别装入实施例1中所得的聚合物荧光传感器溶液0.3 mL（该荧光传感器浓度为0.02 mg/mL），然后依次加入2.7 mL的pH为5的缓冲溶液，搅拌3 min之后分别将浓度为5.0×10^-2mol/L的NO₂^-、SO₃^2-、SO₄^2-、NO₃^-、HPO₄^2-、H₂PO₄^-、NO•（亚硝基自由基）、HO•（羟基基自由基）、t-BuO•（过氧化叔丁基自由基）、¹O₂（单线态氧）、H₂O₂（过氧化氢）、TBHP（过氧化叔丁醇）溶液和浓度为1.0×10^-3mol/L 的HClO溶液各取3µL加入另外前13个样品瓶中，14号样品为空白样。然后分别测定14个样品在420 nm波长激发下的荧光光谱数据，得到在444 nm和551 nm波长发射处的荧光比率变化值，结果见图5。测定结果表明：除了次氯酸外，其它上述各种离子和过氧化物对所制备的聚合物荧光传感器的荧光比率强度没有明显影响。

实施例6：其它离子和过氧化物共存时的影响的对比检测实验。

取14个5 mL样品瓶，分别装入实施例1中所得的聚合物荧光传感器溶液0.3mL（该聚合物荧光传感器浓度为0.02 mg/mL），然后依次加入2.7 mL的pH为5的缓冲溶液，搅拌3 min之后，1号为空白样品，其余样品瓶依次加入 1.0×10^-3mol/L的HClO溶液3µL，继续搅拌1 min，然后分别将3µL的浓度为5.0×10^-2mol/L的NO₂^-、SO₃^2-、SO₄^2-、NO₃^-、HPO₄^2-、H₂PO₄^-、NO•（亚硝基自由基）、HO•（羟基基自由基）、t-BuO•（过氧化叔丁基自由基）、¹O₂（单线态氧）、H₂O₂（过氧化氢）、TBHP（过氧化叔丁醇）加入到3号至14号样品瓶中。搅拌5 min之后然后分别测定14个样品在420 nm为波长激发下的荧光光谱数据，得到在444 nm和551 nm波长发射处的荧光比率变化值，结果见图6。测定结果表明：除了次氯酸外，其它上述各种离子和过氧化物对所制备的聚合物荧光传感器的荧光比率强度没有明显影响。

上述实施例用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明所作出的任何修改和改变，都落入本发明的保护范围。