一种基于QCM的钾离子传感器的制备的制作方法

本发明属于生物医药领域，具体涉及一种基于QCM(石英晶体微天平)的钾离子传感器及其制备和检测方法。

背景技术：

钾离子是细胞内液的主要阳离子，体内98％的钾存在于细胞内。钾离子具有维持细胞新陈代谢的功能，细胞内一些酶的活动必须有高浓度的钾离子存在，糖原形成时有一定量的钾离子进入细胞内，蛋白质合成和分解伴随一定量的钾离子转移；钾离子具有维持细胞内外渗透压及酸碱平衡的功能，低学钾时容易发生代谢性碱中毒；钾离子具有保持神经肌肉应激性性能，血钾过高，则神经肌肉过度兴奋，血钾过低，则神经肌肉麻痹；钾离子具有维持正常心肌收缩运动的协调，血钾过高，会抑制心肌，如血钾过低，则产生心律紊乱。所以人体钾离子必须维持在一个相对稳定的浓度范围内(3.5～5.5mM)。

综上所述，人体内的钾是维持细胞生理活动的主要阳离子，是保持机体的正常渗透压及酸碱平衡，参与糖及蛋白质代谢，保证神经肌肉的正常功能所必需，其含量是人体生理活动的重要指标。尿液、血清中钾离子的含量水平在临床上可用了诊断一些肾脏、心脏等方面的疾病。因此钾离子的浓度对人体健康有着非常重要的影响，实现快速、便携的检测钾离子的浓度具有非常重要的意义。目前精确检测钾离子的方法大致有几下几种：1.生化分析仪，是采用光电比色原理来测量体液中某种特定化学成分的仪器；2.电解质分析仪，是采用离子选择电极测量法来实现精确检测的；3.原子吸收光谱仪，是基于气态的基态原子外层电子对紫外光和可见光范围的相对应原子共振辐射线的吸收强度来定量被测元素含量为基础的分析方法。检测钾离子的方法虽多，但是仪器体积较大，分析时间长等，难以满足即时检验，尤其是临床需要对危重症患者进行快速钾离子的检测。

技术实现要素：

本发明的目的一方面在于提供一种基于石英晶体微天平的钾离子传感器，所述传感器的石英晶振片修饰有冠醚类聚合物。

优选地，所述冠醚类聚合物由如下方法制得：

将丙烯酰胺15mg、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯6mg、2,2-二甲氧基-苯基乙酮1mg、N-N'-亚甲基双丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亚砜制得冠醚类聚合物。

本发明的目的一方面在于提供一种基于石英晶体微天平的钾离子传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

(1)石英晶振片分别在浓H₂SO₄和H₂O₂(V:V＝7:3)、丙酮、乙醇、超纯水中超声10分钟，氮气吹干；

(2)将步骤(1)处理过的石英晶振片浸入30ml分析纯乙醇中(含150uLγ-氨丙基三乙氧基硅烷)浸泡24h，氮气吹干；

(3)将步骤(2)处理过的石英晶振片置于25mlN,Nˊ-二甲基甲酰胺溶液中(含1g顺丁烯二酸酐)浸泡24h，氮气吹干；

(4)将丙烯酰胺15mg、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯6mg、2,2-二甲氧基-苯基乙酮1mg、N-N'-亚甲基双丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亚砜中制得冠醚类聚合物；

(5)取20-30uL，优选25uL冠醚类聚合物滴于步骤(3)处理过的石英晶振片上，4000r/min旋涂1min，紫外365nm光照30min，即可得到冠醚类聚合物修饰的石英晶体微天平钾离子传感器。

本发明的目的一方面在于提供基于石英晶体微天平的钾离子传感器的应用，其中所述石英晶体微天平的钾离子传感器用于检测低浓度的钾离子。

优选地，所述钾离子浓度的最低检测限为0.5mmol/L。

优选地，所述检测的方法为：

(1)取冠醚类聚合物修饰好的晶振片在石英晶体微天平检测其频率，记做F0。

(2)加入不同浓度的钾离子溶液，浓度范围0.5-7mmol/L，检测其频率，记做F1。

(3)按步骤(1)和步骤(2)，获得不同浓度的钾离子溶液对应的晶振片的频率变化Y，并以不同浓度的钾离子与对应的频率位移作图，绘制标准曲线，其回归方程为Y＝-37.47LgC+59.74，其中：Y为频率变化，单位为Hz，LgC为钾离子浓度对数。频率与浓度对数呈线性关系，拟合度为0.9624，得到的标准曲线如图3所示。

(4)将待测溶液按步骤(3)所述的步骤测试其Y；比照标准曲线得出待测溶液中的钾离子浓度。

应当理解，前述大体的描述和后续详尽的描述均为示例性说明和解释，并不应当用作对本发明所要求保护内容的限制。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1为本发明的QCM钾离子传感器的实物图；

图2为本发明的QCM钾离子传感器的合成路线图；

图3为不同浓度的钾离子溶液对应的晶振片的频率变化曲线图；

图4为本发明的QCM钾离子传感器的钾离子检测范围和响应时间的示意图；

图5为本发明的QCM钾离子传感器对不同离子的选择性实验结果示意图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明提出一种基于QCM的钾离子检测方法，利用冠醚衍生物作为钾离子的识别单元，利用表面引发聚合实现冠醚聚合物在石英晶振片上的聚合，实现钾离子的在线检测。基于QCM的钾离子传感器的实物图如图1所示。

上述基于QCM的钾离子传感器由以下方法制备得到，具体步骤如下，合成路线如图2所示：

(1)石英晶振片分别在浓H₂SO₄和H₂O₂(V:V＝7:3)、丙酮、乙醇、超纯水中超声10分钟，氮气吹干，如图2中(a)所示；

(2)将步骤(1)处理过的石英晶振片浸入30ml分析纯乙醇中(含150uLγ-氨丙基三乙氧基硅烷)浸泡24h，氮气吹干，如图2中(b)所示；

(3)将步骤(2)处理过的石英晶振片置于25mlN,Nˊ-二甲基甲酰胺溶液中(含1g顺丁烯二酸酐)浸泡24h，氮气吹干，如图2中(c)所示；

(4)将丙烯酰胺15mg、聚乙二醇二甲基丙烯酸酯6mg、2,2-二甲氧基-苯基乙酮1mg、N-N'-亚甲基双丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亚砜中制得冠醚类聚合物；

(5)取20-30uL，优选25uL冠醚类聚合物滴于步骤(3)处理过的石英晶振片上，4000r/min旋涂1min，紫外365nm光照30min，即可得到冠醚类聚合物修饰的QCM钾离子传感器，如图2中(d)所示。

本发明的基于QCM的钾离子传感器可以用于检测钾离子的浓度，所述检测方法为：

(1)取上述修饰好的晶振片在QCM检测其频率，记做F0。

(2)加入不同浓度的钾离子溶液，浓度范围0.5-7mmol/L，检测其频率，记做F1。

(3)按步骤(1)和步骤(2)，获得不同浓度的钾离子溶液对应的晶振片的频率变化Y，并以不同浓度的钾离子与对应的频率位移作图，绘制标准曲线，其回归方程为Y＝-37.47LgC+59.74，其中：Y为频率变化，单位为Hz，LgC为钾离子浓度对数。频率与浓度对数呈线性关系，拟合度为0.9624，得到的标准曲线如图3所示。

(4)将待测溶液按步骤(3)所述的步骤测试其Y；比照标准曲线得出待测溶液中的钾离子浓度。

图4为本发明的QCM钾离子传感器的钾离子检测范围和响应时间的示意图。从图4中可以看出，本发明的基于QCM的钾离子传感器能够检测的钾离子范围在0.5-7mM之间，最低检测限能达到0.5mmol/L，响应时间仅为为30s，能够快速检测到钾离子的浓度。

图5为检测本发明的基于QCM的传感器对铅离子检测的选择性试验，分别制备浓度为4mmol/L的钠、钙、镁、铵根的离子溶液，利用本发明的测试方法检测其频率变化，并与浓度为4mmol/L的铅离子溶液进行比较。结果表明，浓度为4mmol/L的钠、钙、镁、铵根的离子对测定体系的频率变化都明显小于4mmol/L的钾离子溶液对测定体系的频率变化，从而表明本发明的传感器对钾离子选择性较好，具有特异性。当Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等存在时，依然可快速、准确识别出钾离子。

本发明提出的一种基于QCM的钾离子检测方法，利用冠醚衍生物作为钾离子的识别单元，具有以下优点：

1.检测仪器属便携式仪器，可完成即时检测；

2.满足人体生理范围的钾离子检测；

3.快速响应；

4.对人体其他离子，如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺具有较好的屏蔽效应。

(备注：文中未标记浓度的溶液均为市售分析纯溶液，试剂均为市售分析纯。)

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。