PCN-224-Mn的应用和检测邻苯二胺的方法

技术领域

本发明涉及邻苯二胺检测技术领域，更具体地说，本发明涉及一种Mn掺杂的卟啉基金属有机框架材料PCN-224-Mn的应用和检测邻苯二胺的方法。

背景技术

邻苯二胺作为芳香二胺的一种异构体，是许多有机试剂生产的前体材料，广泛应用于农药生产、医药生产以及工业染料等。根据EPA(美国环境保护所)的资料显示，苯二胺异构体对眼睛、肾、胃等具有一定毒性，并且已被国际卫生组织列为三类致癌物。美国政府工业卫生学家会议将邻苯二胺列为了已确认动物致癌物，但是目前对人类的作用未知，建议将职业接触值限定在0.1mg/m

纳米酶作为一种人工模拟酶，其催化性能可与天然酶媲美。卟啉作为一种大分子杂环化合物，在自然界中以和金属离子配位而存在，比如叶绿素(镁卟啉)、血红素(铁卟啉)、铜蓝蛋白(铜卟啉)等，具有较好的酶活性。基于金属卟啉的特性，与之具有相似结构的MOFs材料就出现在人们眼前。PCN系列材料作为MOFs的重要分支，是一种通道式框架结构材料，具有较大比表面积，其中PCN-224是突出的代表。PCN-224具有卟啉空腔，其结构与血红素类似。当把金属掺杂进空腔，就形成了与血红素(铁卟啉)类似的结构，就可以获得类酶性质的材料，比如PCN-224-Fe、AuNPs@PCN-224(Fe)、PCN-224(Co)等材料。因此，将金属掺杂进PCN-224的卟啉空腔为纳米酶的设计以及性能开发提供了一个良好的平台。

目前，检测邻苯二胺的方法存在线性范围窄，检出限一般等问题。且普遍存在检出限低的，线性范围窄；线性范围宽的，检出限高的缺陷。

如Xia Y,Sun K,Zuo Y,et al.Fluorescent MOF-based nanozymes fordiscrimination of phenylenediamine isomers and ratiometric sensing of o-phenylenediamine[J].Chinese ChemicalLetters,2022,33(04):2081-2085.公开的NH

如Dhamodiran M,Kumar S T,Xiuli W,et al.Dual emission carbon dots asenzyme mimics and fluorescent probes for the determination of o-phenylenediamine and hydrogen peroxide.[J].Microchimica acta,2020,187(5).公开的CDs传感器线性范围仅1-40μM，检出限0.58μM。

如Li N,Gu Y,Gao M,et al.Colorimetric determination of o-phenylenediamine in water samples based on the formation of silvernanoparticles as a colorimetric probe[J].

Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2015,140公开的AgNPs传感器线性范围仅1-80μM，检出限0.16μM。

如Ma P,Liang F,Wang D,et al.Selective determination of o-phenylenediamine by surface-enhanced Raman spectroscopy using silvernanoparticles decorated withα-cyclodextrin[J].Microchimica Acta,2014,182(1-2).公开的α-CD-AgNPs传感器线性范围仅0.1-1μM，检出限0.03μM。

如Roberto M,Beatriz S J,Alberto E.Self-propelled micromotors fornaked-eye detection of phenylenediamines isomers.[J].Analytical chemistry,2018,90(16).公开的PEDOT/MnO

而且，上述现有技术基本只检测了干扰较小的环境水样，对于成分较为复杂土壤无法检测，对于含有许多氧化剂、还原剂的染发剂更无法完成检测。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种具有优异线性范围和检出限，抗干扰性好，能够检测环境水样、土壤和染发剂中邻苯二胺的方法及Mn掺杂的卟啉基金属有机框架材料PCN-224-Mn在检测环境水样、土壤或染发剂中邻苯二胺的应用。

为了实现本发明的这些目的和其它优点，本发明提供的一种Mn掺杂的卟啉基金属有机框架材料PCN-224-Mn在检测邻苯二胺的应用。

优选的是，所述PCN-224-Mn通过以下方法制得：

将TCPP、ZrOCl

优选的是，所述PCN-224和PCN-224-Mn均经过纯化。

优选的是，更具体的，所述PCN-224-Mn通过以下方法制得：

将TCPP(中文名：中-四(4-羧基苯基)卟吩)、ZrOCl

取上述纯化完成的PCN-224以及MnCl

优选的是，所述PCN-224-Mn在检测环境水样的邻苯二胺的应用。

优选的是，所述PCN-224-Mn在检测土壤的邻苯二胺的应用。

优选的是，所述PCN-224-Mn在检测染发剂的邻苯二胺的应用。

本发明提供的一种检测邻苯二胺的方法，采用所述PCN-224-Mn，包括以下步骤：

将所述PCN-224-Mn与缓冲液混合得到检测体系，加入不同浓度梯度的邻苯二胺溶液，加热孵育反应后，测量荧光光谱，绘制550nm处荧光强度随邻苯二胺浓度变化的工作曲线；

使用检测体系对待测样品进行检测，根据工作曲线得出待测样品中邻苯二胺浓度。

优选的是，测量荧光光谱的激发波长为420nm。

优选的是，PCN-224-Mn的浓度为10～20μg/mL。

优选的是，反应pH为8～9。

优选的是，缓冲液为HEPES(中文名：4-羟乙基哌嗪乙磺酸)。

优选的是，反应的温度为60℃～80℃。

优选的是，检测体系中PCN-224-Mn的浓度为10～20μg/mL、pH为8～9、缓冲液为HEPES、反应的温度为60℃～80℃。

更优选的是，PCN-224-Mn的浓度为16.02μg/mL，pH＝8.5，以1mM的HEPES为缓冲溶液，在温度为60℃的条件下孵育反应，为最佳反应条件。

本发明至少包括以下有益效果：

1、PCN-224-Mn作为一种模拟酶，具有类氧化酶活性，本发明将PCN-224-Mn传感器应用在邻苯二胺检测中，发现PCN-224-Mn与邻苯二胺的亲和力高，无色的邻苯二胺被氧化生成了黄色的2,3-二氨基吩嗪(DAP)，在420nm激发下，于550nm处发出黄色荧光。该传感器检测邻苯二胺的线性范围为2-1200μM，检出限为0.43μM，该传感器灵敏，能将其用在实际样品中检测邻苯二胺，具有良好的回收率，表明了该传感器在实际样品中检测邻苯二胺的潜力。且实际样品除了环境水样，还可以检测土壤实际样品，甚至染发剂实际样品中的邻苯二胺，抗干扰能力好。

2、本发明使用PCN-224-Mn传感器对邻苯二胺检测的方法中，对检测体系的PCN-224-Mn浓度、pH、缓冲液种类和反应温度进行优化，使得PCN-224-Mn传感器的相对活性显著提高。

本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。

附图说明

图1为本发明所述的PCN-224-Mn的XPS拟合结果图；

图2为本发明所述的PCN-224-Mn类氧化酶活性的验证图；

图3为本发明优化优化PCN-224-Mn的浓度、反应pH、缓冲溶液种类以及孵育反应温度的结果图；

图4为本发明所述的工作曲线图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。

实施例1

PCN-224-Mn的制备

本实施例的PCN-224-Mn的合成过程可参照文献：Xiang L,Yue S,Shoubei G,etal.The Mn-modified porphyrin metal-organic framework with enhanced oxidase-like activity for sensitively colorimetric detection of glutathione[J].Biosensors and Bioelectronics,2022,213.报道的方法，其具体制备过程如下：

步骤一、TCPP(0.05g)、ZrOCl

步骤二、取上述纯化完成的PCN-224(50mg)以及MnCl

XPS作为一种表面分析技术，可以了解材料的元素构成以及化学状态，从而了解材料性质。图1为PCN-224-Mn的XPS拟合结果图；图1中的(a)是PCN-224与PCN-224-Mn的全谱对比；图1中的(b)(c)(d)分别是Zr 3d、Mn 2p以及Mn 3s的分峰拟合图；对PCN-224-Mn进行XPS测试是为了防止在合成过程中Mn的元素变成了MnO

PCN-224-Mn类氧化酶活性的验证如图2所示。为了验证PCN-224-Mn具有类氧化酶性质，采用常见酶底物OPD进行验证。为了验证是PCN-224-Mn与OPD作用，而不是其他物质，设置了四组对照组，均在相同实验条件下进行反应，结果如图2所示。纯OPD在420nm处不存在吸收峰，PCN-224、TCPP不与OPD作用，只有PCN-224-Mn与OPD发生类氧化酶的催化作用。

在检测过程中，无色的邻苯二胺被氧化生成了黄色的2,3-二氨基吩嗪(DAP)，在420nm激发下，于550nm处发出黄色荧光。可以看到PCN-224-Mn具有较好的类氧化酶活性。

实施例2

一种PCN-224-Mn检测邻苯二胺的方法，采用实施例1所述的PCN-224-Mn，包括：

将PCN-224-Mn与缓冲液混合得到检测体系，加入不同浓度梯度的邻苯二胺溶液，加热孵育反应后，测量荧光光谱，绘制550nm处荧光强度随邻苯二胺浓度变化的工作曲线；

使用检测体系对待测样品进行检测，根据工作曲线得出待测样品中邻苯二胺浓度。

为了研究不同环境下PCN-224-Mn的催化活性情况，以获得最佳的催化反应条件，采用控制变量法优化了PCN-224-Mn的浓度、反应pH、缓冲溶液种类以及孵育反应温度。

结果如图3所示：

图3的(a)中，随着PCN-224-Mn浓度的增加，反应速度逐渐加快，当浓度达到16.02μg/mL时，反应速度基本保持不变。

对于PCN-224-Mn检测体系而言，pH会影响其催化活性。为了减少pH对催化活性的影响，研究了pH为6-10条件下PCN-224-Mn的催化活性，其结果如图3的(b)所示，在pH为8.5时材料催化活性达到最大值。

如图3的(c)所示，在HEPES缓冲溶液中PCN-224-Mn的催化活性最高，因此选择HEPES作为该检测体系的缓冲溶液。

如图3的(d)所示，PCN-224-Mn具有良好的耐高温性能，可以看出，PCN-224-Mn更加偏爱高温，即使温度升高至70℃，PCN-224-Mn仍然保持着较高的催化活性。这相对于天然酶来说，具有独特的优势。

为获得最佳荧光信号，选用PCN-224-Mn的浓度为16.02μg/mL，检测体系的pH＝8.5，以1mM的HEPES为缓冲溶液，在温度为60℃的条件下孵育反应，作为最佳反应条件。

所获的工作曲线如图4所示，为双线性方程，分别为Y＝0.916X+5.569 R

实施例3

为了评估PCN-224-Mn在实际样品中检测OPD的可行性，检测了实际环境水样，其中实际水样取于中国南宁南湖，使用实施例2的方法和最佳反应条件对实际水样进行检测，结果如下表1所示。

表1实际水样检测结果

由表1的结果可以得出，PCN-224-Mn检测实际水样品中OPD的回收率在94.97％-100.81％之间，表明了PCN-224-Mn纳米传感器在实际样品中检测OPD具有良好的潜力。

实施例4

为了评估PCN-224-Mn在实际样品中检测OPD的可行性，检测了实际土壤样品，将土壤样品与纯水按照1:10(g：ml)的比例混合搅拌溶解过滤得到滤液，将滤液配制成相应OPD检测浓度的待测样品，然后使用实施例2的方法和最佳反应条件对待测样品进行检测，结果如下表2所示。

表2实际土壤样品检测结果

由表2的结果可以得出，PCN-224-Mn检测检测土壤样品中OPD的回收率在92.37％-99.49％之间，表明了PCN-224-Mn纳米传感器在实际样品中检测OPD具有良好的潜力。

实施例5

为了评估PCN-224-Mn在实际样品中检测OPD的可行性，检测了染发剂样品，将染发剂样品与纯水按照1:10(g：ml)的比例混合搅拌溶解过滤得到滤液，将滤液配制成相应OPD检测浓度的待测样品，使用实施例2的方法和最佳反应条件对待测样品进行检测，结果如下表3所示。

表3染发剂样品检测结果

上表3为PCN-224-Mn在染发剂实际样品中检测邻苯二胺的详细结果。由表3可以看出，首先测定了未加标的染发剂待测样品中是否含有邻苯二胺，得到的结果是所购买的染发剂其中不含有邻苯二胺，与染发剂配料表吻合。PCN-224-Mn在染发剂实际样品中检测邻苯二胺的回收率在98.64％-102.93％之间，说明PCN-224具有在复杂环境中检测邻苯二胺的能力。染发剂里面含有许多氧化剂、还原剂，检测环境复杂，PCN-224-Mn能在染发剂中检测邻苯二胺，说明其抗干扰能力强。

本发明的检测方法与现有文献记载的传感器对比如下表4所示：

表4本发明与现有技术的线性范围和检出限比对

文献1：Xia Y,Sun K,Zuo Y,et al.Fluorescent MOF-based nanozymes fordiscrimination of phenylenediamine isomers and ratiometric sensing of o-phenylenediamine[J].Chinese Chemical Letters,2022,33(04):2081-2085.

文献2：Dhamodiran M,Kumar S T,Xiuli W,et al.Dual emission carbon dotsas enzyme mimics and fluorescent probes for the determination of o-phenylenediamine and hydrogen peroxide.[J].Microchimica acta,2020,187(5).

文献3：Li N,Gu Y,Gao M,et al.Colorimetric determination of o-phenylenediamine in water samples based on the formation of silvernanoparticles as a colorimetric probe[J].

Spectrochimica Acta Part A:Molecular and Biomolecular Spectroscopy,2015,140.

文献4：Ma P,Liang F,Wang D,et al.Selective determination of o-phenylenediamine by surface-enhanced Raman spectroscopy using silvernanoparticles decorated withα-cyclodextrin[J].Microchimica Acta,2014,182(1-2).

文献5：Roberto M,Beatriz S J,Alberto E.Self-propelled micromotors fornaked-eye detection of phenylenediamines isomers.[J].Analytical chemistry,2018,90(16).

从上述文献公开的结果来看，存在检出限低的，线性范围窄；线性范围宽的，检出限高现象。本发明的检测方法的检出限、线性范围兼得，比其他检测方法更好。且上述文献基本只检测了环境水样，因为这样干扰较小，土壤成分较为复杂，染发剂更是含有多种氧化剂还原剂，干扰非常大，而本申请在土壤和染发剂中均做了测试，结果显示很高的回收率，表明本发明的检测方法抗干扰能力好，可以用于土壤和染发剂的邻苯二胺检测中。

尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用。它完全可以被适用于各种适合本发明的领域。对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改。