一種基于QCM的鉀離子傳感器的制備的制作方法

本發明屬于生物醫藥領域，具體涉及一種基于QCM(石英晶體微天平)的鉀離子傳感器及其制備和檢測方法。

背景技術：

鉀離子是細胞內液的主要陽離子，體內98％的鉀存在于細胞內。鉀離子具有維持細胞新陳代謝的功能，細胞內一些酶的活動必須有高濃度的鉀離子存在，糖原形成時有一定量的鉀離子進入細胞內，蛋白質合成和分解伴隨一定量的鉀離子轉移；鉀離子具有維持細胞內外滲透壓及酸堿平衡的功能，低學鉀時容易發生代謝性堿中毒；鉀離子具有保持神經肌肉應激性性能，血鉀過高，則神經肌肉過度興奮，血鉀過低，則神經肌肉麻痹；鉀離子具有維持正常心肌收縮運動的協調，血鉀過高，會抑制心肌，如血鉀過低，則產生心律紊亂。所以人體鉀離子必須維持在一個相對穩定的濃度范圍內(3.5～5.5mM)。

綜上所述，人體內的鉀是維持細胞生理活動的主要陽離子，是保持機體的正常滲透壓及酸堿平衡，參與糖及蛋白質代謝，保證神經肌肉的正常功能所必需，其含量是人體生理活動的重要指標。尿液、血清中鉀離子的含量水平在臨床上可用了診斷一些腎臟、心臟等方面的疾病。因此鉀離子的濃度對人體健康有著非常重要的影響，實現快速、便攜的檢測鉀離子的濃度具有非常重要的意義。目前精確檢測鉀離子的方法大致有幾下幾種：1.生化分析儀，是采用光電比色原理來測量體液中某種特定化學成分的儀器；2.電解質分析儀，是采用離子選擇電極測量法來實現精確檢測的；3.原子吸收光譜儀，是基于氣態的基態原子外層電子對紫外光和可見光范圍的相對應原子共振輻射線的吸收強度來定量被測元素含量為基礎的分析方法。檢測鉀離子的方法雖多，但是儀器體積較大，分析時間長等，難以滿足即時檢驗，尤其是臨床需要對危重癥患者進行快速鉀離子的檢測。

技術實現要素：

本發明的目的一方面在于提供一種基于石英晶體微天平的鉀離子傳感器，所述傳感器的石英晶振片修飾有冠醚類聚合物。

優選地，所述冠醚類聚合物由如下方法制得：

將丙烯酰胺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'-亞甲基雙丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亞砜制得冠醚類聚合物。

本發明的目的一方面在于提供一種基于石英晶體微天平的鉀離子傳感器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

(1)石英晶振片分別在濃H₂SO₄和H₂O₂(V:V＝7:3)、丙酮、乙醇、超純水中超聲10分鐘，氮氣吹干；

(2)將步驟(1)處理過的石英晶振片浸入30ml分析純乙醇中(含150uLγ-氨丙基三乙氧基硅烷)浸泡24h，氮氣吹干；

(3)將步驟(2)處理過的石英晶振片置于25mlN,Nˊ-二甲基甲酰胺溶液中(含1g順丁烯二酸酐)浸泡24h，氮氣吹干；

(4)將丙烯酰胺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'-亞甲基雙丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亞砜中制得冠醚類聚合物；

(5)取20-30uL，優選25uL冠醚類聚合物滴于步驟(3)處理過的石英晶振片上，4000r/min旋涂1min，紫外365nm光照30min，即可得到冠醚類聚合物修飾的石英晶體微天平鉀離子傳感器。

本發明的目的一方面在于提供基于石英晶體微天平的鉀離子傳感器的應用，其中所述石英晶體微天平的鉀離子傳感器用于檢測低濃度的鉀離子。

優選地，所述鉀離子濃度的最低檢測限為0.5mmol/L。

優選地，所述檢測的方法為：

(1)取冠醚類聚合物修飾好的晶振片在石英晶體微天平檢測其頻率，記做F0。

(2)加入不同濃度的鉀離子溶液，濃度范圍0.5-7mmol/L，檢測其頻率，記做F1。

(3)按步驟(1)和步驟(2)，獲得不同濃度的鉀離子溶液對應的晶振片的頻率變化Y，并以不同濃度的鉀離子與對應的頻率位移作圖，繪制標準曲線，其回歸方程為Y＝-37.47LgC+59.74，其中：Y為頻率變化，單位為Hz，LgC為鉀離子濃度對數。頻率與濃度對數呈線性關系，擬合度為0.9624，得到的標準曲線如圖3所示。

(4)將待測溶液按步驟(3)所述的步驟測試其Y；比照標準曲線得出待測溶液中的鉀離子濃度。

應當理解，前述大體的描述和后續詳盡的描述均為示例性說明和解釋，并不應當用作對本發明所要求保護內容的限制。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1為本發明的QCM鉀離子傳感器的實物圖；

圖2為本發明的QCM鉀離子傳感器的合成路線圖；

圖3為不同濃度的鉀離子溶液對應的晶振片的頻率變化曲線圖；

圖4為本發明的QCM鉀離子傳感器的鉀離子檢測范圍和響應時間的示意圖；

圖5為本發明的QCM鉀離子傳感器對不同離子的選擇性實驗結果示意圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發明提出一種基于QCM的鉀離子檢測方法，利用冠醚衍生物作為鉀離子的識別單元，利用表面引發聚合實現冠醚聚合物在石英晶振片上的聚合，實現鉀離子的在線檢測。基于QCM的鉀離子傳感器的實物圖如圖1所示。

上述基于QCM的鉀離子傳感器由以下方法制備得到，具體步驟如下，合成路線如圖2所示：

(1)石英晶振片分別在濃H₂SO₄和H₂O₂(V:V＝7:3)、丙酮、乙醇、超純水中超聲10分鐘，氮氣吹干，如圖2中(a)所示；

(2)將步驟(1)處理過的石英晶振片浸入30ml分析純乙醇中(含150uLγ-氨丙基三乙氧基硅烷)浸泡24h，氮氣吹干，如圖2中(b)所示；

(3)將步驟(2)處理過的石英晶振片置于25mlN,Nˊ-二甲基甲酰胺溶液中(含1g順丁烯二酸酐)浸泡24h，氮氣吹干，如圖2中(c)所示；

(4)將丙烯酰胺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'-亞甲基雙丙烯酰胺2mg、2-烯丙氧基甲基18-冠-6-醚5mg溶于60uL二甲基亞砜中制得冠醚類聚合物；

(5)取20-30uL，優選25uL冠醚類聚合物滴于步驟(3)處理過的石英晶振片上，4000r/min旋涂1min，紫外365nm光照30min，即可得到冠醚類聚合物修飾的QCM鉀離子傳感器，如圖2中(d)所示。

本發明的基于QCM的鉀離子傳感器可以用于檢測鉀離子的濃度，所述檢測方法為：

(1)取上述修飾好的晶振片在QCM檢測其頻率，記做F0。

(2)加入不同濃度的鉀離子溶液，濃度范圍0.5-7mmol/L，檢測其頻率，記做F1。

(3)按步驟(1)和步驟(2)，獲得不同濃度的鉀離子溶液對應的晶振片的頻率變化Y，并以不同濃度的鉀離子與對應的頻率位移作圖，繪制標準曲線，其回歸方程為Y＝-37.47LgC+59.74，其中：Y為頻率變化，單位為Hz，LgC為鉀離子濃度對數。頻率與濃度對數呈線性關系，擬合度為0.9624，得到的標準曲線如圖3所示。

(4)將待測溶液按步驟(3)所述的步驟測試其Y；比照標準曲線得出待測溶液中的鉀離子濃度。

圖4為本發明的QCM鉀離子傳感器的鉀離子檢測范圍和響應時間的示意圖。從圖4中可以看出，本發明的基于QCM的鉀離子傳感器能夠檢測的鉀離子范圍在0.5-7mM之間，最低檢測限能達到0.5mmol/L，響應時間僅為為30s，能夠快速檢測到鉀離子的濃度。

圖5為檢測本發明的基于QCM的傳感器對鉛離子檢測的選擇性試驗，分別制備濃度為4mmol/L的鈉、鈣、鎂、銨根的離子溶液，利用本發明的測試方法檢測其頻率變化，并與濃度為4mmol/L的鉛離子溶液進行比較。結果表明，濃度為4mmol/L的鈉、鈣、鎂、銨根的離子對測定體系的頻率變化都明顯小于4mmol/L的鉀離子溶液對測定體系的頻率變化，從而表明本發明的傳感器對鉀離子選擇性較好，具有特異性。當Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺等存在時，依然可快速、準確識別出鉀離子。

本發明提出的一種基于QCM的鉀離子檢測方法，利用冠醚衍生物作為鉀離子的識別單元，具有以下優點：

1.檢測儀器屬便攜式儀器，可完成即時檢測；

2.滿足人體生理范圍的鉀離子檢測；

3.快速響應；

4.對人體其他離子，如Na⁺、Ca²⁺、Mg²⁺具有較好的屏蔽效應。

(備注：文中未標記濃度的溶液均為市售分析純溶液，試劑均為市售分析純。)

結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。