一种香豆素荧光阵列传感器及其制备方法和应用与流程

本发明属于环境水样、生物体液中金属离子的检测领域，具体涉及一种香豆素荧光阵列传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

在日常生活中，一些金属离子为人体生命活动所必须，如na⁺，k⁺，mg²⁺，ca²⁺，fe²⁺，zn²⁺，cu²⁺，mn²⁺等，它们的缺失及浓度变化皆影响着身体机能的正常运转；另一方面，随着环境问题的日益严重，一些重金属离子如cd²⁺，hg²⁺，pb²⁺等更易通过饮水等途径被人体摄入，从而危害人体健康。发展用于环境水样和生物体液中金属离子的种类和浓度的检测方法为了解环境水样的污染情况和生命系统的健康状况提供有力的数据，具有重大的实际意义。目前，电感耦合等离子体光谱仪(inductivecoupledplasmaemissionspectrometer，icp)与质谱或原子发射光谱联用可以有效地检测环境水样或者生物体液中金属离子的种类和浓度。然而，这些仪器体型较大，价格昂贵，操作需要专业技能培训，因此一般只在专业的实验室或专门的检测机构使用。发展准确、便捷、低成本、可实时现场检测的金属离子鉴别检测方法具有重大的理论研究和实际应用价值。

基于有机小分子的荧光探针可以将分子识别过程转换成荧光强度、荧光波长以及荧光寿命等光信号传递给外界，从而实现对特定物质的检测分析。相对于依赖大型仪器的分析检测方法而言，基于有机小分子的荧光探针主要具有以下的优点：1)操作简便，信号直观；2)荧光检测的灵敏度高；3)成本低；4)通过对探针分子结构的修饰，可以较为方便地调控检测行为以满足不同条件下的需要。目前，已有荧光探针分子可以用于铁离子、钾离子、汞离子、铜离子、金离子等许多金属离子的检测。但是这些传统的金属离子荧光探针是基于一对一的“锁-钥”识别模式，每个荧光探针只能检测一种特定的金属离子，而对其他金属离子则毫无鉴别能力。因此，发展一种荧光传感方法用于同时检测多种金属离子至关重要。

2004年诺贝尔生理或医学奖授予了“探寻嗅觉之谜”的两位美国神经科学家理查德·阿克塞尔和琳达·巴克。他们发现人体通过数量有限的传感器识别无数种气味的原理在于这些传感器是通过模式识别的方式来鉴别不同气味的。也就是数个不同传感器构成了一个阵列，这个阵列会对每个检测对象建立一个特定的模式，从而这种阵列传感器可以识别多个不同待测物质的各自的模式。目前，利用阵列传感器模式识别的方式对多种金属离子进行检测区分在学术界已经引起了一定的关注。然而，已知的金属离子阵列传感器需要多种成分协同作用，构建起来较为复杂，不利于实际的推广应用。

最近chenzhengbo等人在analyticalchemistry(anal.chem.，2019，91，6315-6320.)上面发表了关于金属离子鉴别的阵列传感器。其所用材料为金纳米颗粒+半胱氨酸/谷胱甘肽/三聚氰胺，可以鉴别ti4+、cr3+、mn2+、fe3+、pb2+和sn4+这六种金属离子，该检测方法需要用到金纳米颗粒，而金作为贵金属，价格昂贵，传感器阵列的制备成本高，而且该传感体系稳定性较差，金纳米颗粒自身容易发生聚集，导致传感器失效，而且该传感器仅能用于ti⁴⁺、cr³⁺、mn²⁺、fe³⁺、pb²⁺和sn⁴⁺这六种金属离子的鉴别，识别能力有限。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术存在的问题，本发明提供了一种香豆素荧光阵列传感器及其构建方法。本发明的香豆素荧光阵列传感器只需要采用简单的香豆素化合物r1，将其溶解于甲醇、二甲亚砜、乙醇和乙腈等常见的有机溶剂中，则可构建成一个阵列传感器r1sa。该阵列传感器能够对ca²⁺、k⁺、cd²⁺、co²⁺、na⁺、fe²⁺、ba²⁺、li⁺、v³⁺、zn²⁺、sn²⁺、fe³⁺、mg²⁺、cr³⁺、hg²⁺、mn²⁺、cu²⁺、mo⁶⁺、al³⁺、bi³⁺、zr⁴⁺、pb²⁺、cs⁺、ni²⁺、ag⁺等25种金属离子进行高灵敏检测，检测可以在水样或血清环境中顺利进行。

技术方案：为了解决上述技术问题，本发明公开了一种香豆素荧光阵列传感器，所述香豆素荧光阵列传感器(r1sa)是由多个相应的传感单元构成，所述多个相应的传感单元是分别将香豆素化合物r1溶解于甲醇、二甲亚砜、乙醇或乙腈或其他有机溶剂中构建获得，本发明所使用香豆素化合物r1为已知化合物，本发明通过将r1溶解于甲醇、二甲亚砜、乙醇和乙腈四种常见有机溶剂构建了相应的荧光阵列传感器。所得阵列传感器可以用于水样、血清等环境中常见金属离子的种类鉴别和含量检测。化合物r1结构式如下，该化合物可以参考文献方法(analyst，2018，143，5583)合成：

本发明内容还包括一种香豆素荧光阵列传感器(r1sa)的制备方法，具体包括以下步骤：

1)配制r1储备液a：将香豆素化合物r1溶于乙醇中，得r1储备液a；

2)依次分别向甲醇、二甲亚砜、乙醇、乙腈溶液或其他有机溶剂中各加入上述r1储备液a，分别得r1的甲醇溶液、r1的二甲亚砜溶液、r1的乙醇溶液、r1的乙腈溶液或r1的其他有机溶剂溶液，即为多个传感单元；

3)将多个传感单元组合即构成香豆素荧光阵列传感器(r1sa)。

其中，所述r1储备液a中的r1浓度为0.1～0.8mm。

其中，所述r1的甲醇溶液、r1的二甲亚砜溶液、r1的乙醇溶液、r1的乙腈溶液或r1的其他有机溶剂溶液中的r1浓度为5-20μm。

本发明内容还包括所述的香豆素荧光阵列传感器在金属离子检测中的应用。

其中，所述金属离子为cs⁺、fe³⁺、ca²⁺、cu²⁺、pb²⁺、mg²⁺、k⁺、mn²⁺、hg²⁺、ni²⁺、cr³⁺、al³⁺、zn²⁺、cd²⁺、sn²⁺、na⁺、v³⁺、li⁺、zr⁴⁺、ag⁺、ba²⁺、fe²⁺、mo⁶⁺、bi³⁺、co²⁺一种或几种。

其中，所述金属离子浓度为0.5μm～200μm。

本发明内容还包括一种鉴别或检测金属离子的方法，包括以下步骤：

1)建立训练数据矩阵：在96孔板上选择5行×4列的区域，向该区域的每一列中依次加入r1的甲醇溶液、r1的乙醇溶液、r1的乙腈溶液和r1的dmso溶液，r1的浓度为5～20μm，向此区域中加入一种已知浓度的金属离子，测试该区域每个孔在360nm激发光下，460nm的荧光发射光强度，所得数据即为该金属离子在该浓度下的训练矩阵；

2)按照步骤1)的方法，分别测试得到该金属离子在5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm浓度下的训练数据矩阵；

3)按照步骤2)的方法，测试得到其他25种金属离子在5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm浓度下的训练数据矩阵；

4)在96孔板上选择5行×4列的区域，向该区域的每一列中依次加入r1的甲醇溶液、r1的乙醇溶液、r1的乙腈溶液和r1的dmso溶液，r1的浓度为5～20μm，向此区域中加入某种未知金属离子，测试该区域每个孔在360nm激发光下，460nm的荧光发射光强度，所得数据作为该未知金属离子的测试矩阵；

5)使用线性判别分析法，对步骤4)中所得未知金属离子测试矩阵的数据用步骤3)中的训练矩阵数据进行测试，得知该未知金属离子的种类和浓度。

其中，所述金属离子为cs⁺、fe³⁺、ca²⁺、cu²⁺、pb²⁺、mg²⁺、k⁺、mn²⁺、hg²⁺、ni²⁺、cr³⁺、al³⁺、zn²⁺、cd²⁺、sn²⁺、na⁺、v³⁺、li⁺、zr⁴⁺、ag⁺、ba²⁺、fe²⁺、mo⁶⁺、bi³⁺、co²⁺一种或几种。

其中，作为进一步优选的，所述步骤1)和步骤4)中的r1的浓度为10μm。

本发明的检测原理：对于一种金属离子，本发明阵列传感器每个传感单元对其荧光相应均不同，由此每种金属离子可以获得由四个传感信号组成的特定模式，每种金属离子的模式不同，从而实现对不同金属离子的区分。

有益效果：本发明相对于现有技术，具备以下优点：

1)阵列传感器要实现模式识别需要设计多个不同的传感器单元组成阵列，而设计制备数个不同的传感器单元费时费力，大大增加了阵列传感器的制造成本。本发明中阵列传感器传感单元的构建仅需将一种香豆素荧光分子溶解于不同有机溶剂即可获得，传感单元的构建方便快捷、极大降低了阵列传感器的设计制造成本；

2)涉及环境污染和人体健康的金属离子种类繁多，要实现对多种金属离子的有效检测具有很大的技术难度。本发明所构建的荧光阵列传感器能够用于常见25种金属离子(包括碱金属、碱土金属、主族金属和过渡金属离子的检测)在水样和血清环境中的定量、准确、快速的检测，检测过程只需按照步骤简单配制指定的溶液，在酶标仪上读取数据即可分析得到最终结果，方便快捷。酶标仪读数仅需1分钟左右，速度快、效率高。

3)此外，本发明的荧光阵列传感器(r1sa)用于金属离子检测时不产生任何有害副产物，没有二次污染。综上考虑，荧光阵列传感器(r1sa)的检测成本和检测性能都明显优于依赖于大型仪器的分析检测方法。

4)原料价格低廉：现有技术经常用到昂贵的原料如金纳米颗粒，而金作为贵金属，价格昂贵，传感器阵列的制备成本高。而本发明的技术只需要一种香豆素有机分子，该分子的合成方法简便，用于制作阵列传感器仅需毫克级的量，成本低廉。

5)体系稳定：现有技术通常使用多组分的化学材料，体系复杂，导致传感体系稳定性较差，如金纳米颗粒自身容易发生聚集，导致传感器失效。而本发明只涉及香豆素分子的有机溶液，性质稳定，可以长期保存。

6)鉴别能力强：现有技术中仅能用于ti⁴⁺、cr³⁺、mn²⁺、fe³⁺、pb²⁺和sn⁴⁺这六种金属离子的鉴别，识别能力有限。而本发明可以鉴别25种常见的金属离子，应用范围大大拓展，而且准确度大大提高。

附图说明

图1r1荧光传感阵列对5μm金属离子鉴别的线性判别分析结果(横纵坐标分别为线性判别分析后所得的典型变量1和典型变量2及其贡献率)；a)碱金属离子；b)碱土金属离子；c)主族金属离子；d)第四周期过渡金属离子；e)第五周期过渡金属离子；

图2、r1荧光传感阵列对0.5μm金属离子的鉴别；a)第五周期过渡金属离子；b)碱土金属离子；

图3、r1荧光传感阵列测试金属离子荧光的示意图；

图4、r1荧光传感阵列对5μm金属离子鉴别的主成分分析结果(横纵坐标分别为主成分分析后所得的主成分1和主成分2及其贡献率)；a)碱金属离子；b)碱土金属离子；c)主族金属离子；d)第四周期过渡金属离子；e)第五六周期过渡金属离子；

图5、r1-溶剂荧光传感阵列对5μm血清环境金属离子的鉴别(横纵坐标分别为线性判别分析后所得的典型变量1和典型变量2及其贡献率)，a)碱金属离子；b)碱土金属离子；c)主族金属离子；d)第四周期过渡金属离子。

具体实施方式

为进一步说明本发明的详细情况，下面列举若干实施例，但本发明不应受此限制。

实施例1阵列传感器r1sa的构建

1.1配制储备液a：准确称取r1(5.0mg)溶于5.0ml乙醇中，得浓度为3mm的r1储备液a；

1.2依次向3ml甲醇、二甲亚砜、乙醇及乙腈溶液中各加入30μl上述储备液a，得r1的甲醇、二甲亚砜、乙醇及乙腈溶液，溶液中r1的浓度均为10μm，该四个溶液即为本发明阵列传感器的四个传感单元；

1.3上述四个r1的甲醇、二甲亚砜、乙醇及乙腈溶液组成阵列传感器r1sa，用于金属离子的检测。

实施例2建立阵列传感器训练矩阵

2.1、配制储备液b：将实施例1步骤1.1中的r1储备液a用乙醇稀释15倍，得r1浓度为0.2mm的储备液b；

2.2、配制浓度为6mm的已知金属离子储备液：将25种金属离子cs⁺、fe³⁺、ca²⁺、cu²⁺、pb²⁺、mg²⁺、k⁺、mn²⁺、hg²⁺、ni²⁺、cr³⁺、al³⁺、zn²⁺、cd²⁺、sn²⁺、na⁺、v³⁺、li⁺、zr⁴⁺、ag⁺、ba²⁺、fe²⁺、mo⁶⁺、bi³⁺、co²⁺对应的无机盐分别溶于纯水中，分别得到浓度为6mm的已知金属离子储备液待用；

2.3、将96孔板的每5行×4列划分为一组，在每一组第1至4列依次加上180μl甲醇、二甲亚砜、乙醇及乙腈四种溶剂；向该组每一个孔中移取10μl0.2mm的储备液b；再分别向该组每个孔中加入10μl浓度为0.1mm已知金属离子储备液的稀释液；以此类推，每种金属离子占据一组，一共得到25组已知金属离子的训练矩阵；使用酶标仪检测每个孔溶液的荧光强度(激发波长360nm，检测波长460nm)；所得数据即为本发明阵列传感器的训练矩阵。注意，以上2.3所述训练矩阵的测试金属离子浓度为5μm。还可以测试浓度为0.5μm、10μm、20μm、50μm、100μm、200μm的训练矩阵，不同浓度已知金属离子训练矩阵中每组所加溶剂、储备液b和金属离子储备液的量参见表1。

表1.已知金属离子样品训练矩阵的配置

以mg²⁺为例介绍阵列传感器r1sa的结构：在96孔板的1至4列分别加入甲醇、二甲亚砜、乙醇及乙腈溶剂，接着在每一个孔中加入10μl0.2mm稀释的r1溶液(储备液b)，构成阵列传感器r1sa。在这种r1sa的每个孔中分别加入等体积等浓度的mg²⁺，测试每个孔的荧光强度。r1的浓度为10μm，控制每个孔的总体积为200μl，改变加入mg²⁺的浓度和体积以及四种溶剂的体积来改变mg²⁺的测试浓度。

其他金属离子类推，示意图参见图3。

2.4训练矩阵数据处理

将2.3中所得已知金属离子样品训练矩阵数据用origin软件进行数据处理，菜单栏操作为：统计-多变量分析-线性判别分析。对浓度为5μm金属离子的鉴别结果如图1。

从图1可以看出，不同金属离子在分析后被归属到各自的簇中，且相互分开，没有明显的交叉和重叠，由此说明不同金属离子可以被很好地区分。如果采用主成分分析的数据处理方法，可以得到类似的结果。

实施例3阵列传感器r1sa对0.5μm金属离子的鉴别

3.1、配制0.1mm的金属离子储备液：cs⁺、fe³⁺、ca²⁺、cu²⁺、pb²⁺、mg²⁺、k⁺、mn²⁺、hg²⁺、ni²⁺、cr³⁺、al³⁺、zn²⁺、cd²⁺、sn²⁺、na⁺、v³⁺、li⁺、zr⁴⁺、ag⁺、ba²⁺、fe²⁺、mo⁶⁺、bi³⁺、co²⁺：

3.2、向96孔板的每5行×4列区域的每一列分别移取190μl的methanol、dmso、ethanol、mecn；

3.3、分别移取10μl0.2mm的r1稀释液(实施例2制备的储备液b)加入步骤3.2的区域中的每一个孔；

3.4、分别移取1μl0.1mm的金属离子储备液加入步骤3.3中，得到金属离子浓度为0.5μm的待测液。用酶标仪测得96孔板每个孔得荧光强度，用origin进行线性判别分析或主成分分析，可有效识别25种金属离子。

实施例4阵列传感器r1sa对水样中10μm金属离子检测：

4.1、配制0.4mm的金属离子储备液：cs⁺、fe³⁺、ca²⁺、cu²⁺、pb²⁺、mg²⁺、k⁺、mn²⁺、hg²⁺、ni²⁺、cr³⁺、al³⁺、zn²⁺、cd²⁺、sn²⁺、na⁺、v³⁺、li⁺、zr⁴⁺、ag⁺、ba²⁺、fe²⁺、mo⁶⁺、bi³⁺、co²⁺)：

4.2、向96孔板的每5行×4列区域的每一列分别移取185μl的methanol、dmso、ethanol、mecn；

4.3、分别移取10μl0.2mm的r1稀释液(实施例2制备的储备液b)加入步骤4.2区域中的每一个孔；

4.4、分别移取5μl0.4mm的金属离子储备液加入步骤4.3中，得到金属离子浓度为10μm的待测液。用酶标仪测得96孔板每个孔得荧光强度，用origin进行线性判别分析或主成分分析，可有效识别25种金属离子(图4)。

实施例5血清环境中金属离子检测：

5.1储备液c的配制：将0.1ml胎牛血清和0.25ml(0.8mm)金属离子储备液溶于0.65ml水中，得0.2mm金属离子的血清储备液c；

5.2向96孔板的每5行×4列区域的每一列分别移取185μl的methanol、dmso、ethanol、mecn；

5.3移取10μl0.2mm的r1稀释液(储备液b)加入5.2中每一个孔；

5.4移取5μl储备液c加入5.3中每一个孔，得到金属离子浓度为5μm的待测液。

5.5用酶标仪测得96孔板每个孔的荧光强度，用origin进行线性判别分析或主成分分析，可有效识别li⁺、na⁺、k⁺、cs⁺、mg²⁺、ca²⁺、ba²⁺、al、sn²⁺、pb²⁺、bi、co、ni、cu、v、cr、mn、zn、fe、fe等金属离子(图5)。

实施例6鉴别5％血清溶液中的未知的金属离子

6.1、向96孔板的每5行×4列区域的每一列分别移取185μl的methanol、dmso、ethanol、mecn；

6.2、分别移取10μl0.2mm的r1稀释液(实施例2制备的储备液b)加入步骤6.1中每一个孔；

6.3、配置金属离子的血清溶液作为未知样本。参照实施例5中步骤5.1配置浓度为0.2mm的金属离子血清储备液c，假定为未知浓度的样品(实际为金属离子和种类已知)；

6.4、移取5μl储备液c加入6.3中每一个孔，得到金属离子浓度为5μm的待测液。

6.5、用酶标仪测得96孔板每个孔得荧光强度，将所得荧光强度的数据作为测试矩阵，与实施例2中的训练矩阵一起进行origin线性判别分析，得到测试结果可知金属离子的种类与浓度，与实际配置溶液进行对比，如表2，可知正确率达100％，表2中r1-m、r1-d、r1-e、r1-a分别代表r1的甲醇、dmso、乙醇和乙腈溶液。

注意，本实施例6是将已知种类和浓度的金属离子样品假定为未知样品，测试得到测试数据矩阵，通过将所得测试数据矩阵与实施例2中的训练数据矩阵进行线性判别分析，可得出未知金属离子种类和浓度的鉴别结果，并进一步与已知信息对比，得出正确率为100％。本测试方法同样适用于真实的未知样品，届时所鉴定金属离子的种类和浓度结果，可以直接采信，或通过大型仪器进一步鉴定确认对比。

表2、使用r1sa阵列传感器鉴别5％血清中未知金属离子的种类和摩尔浓度(μm)