[发明专利]一种钾离子探针及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种钾离子探针及其制备方法和应用，本发明提供的钾离子探针对钾离子具有高度选择性，能够发射绿色荧光，检测K⁺浓度，并且所述钾离子探针中含有羟基，更容易与载体进行接枝，与其他类型的探针共同接枝在载体上，实现同一个传感薄膜的多重响应。本发明还提供了一种钾离子和溶解氧双功能传感薄膜，包括载体，以及通过化学键合的方式固定在所述载体表面的本发明提供的钾离子探针、氧探针和参比探针，该薄膜拥有了红绿蓝三色荧光，三种荧光颜色互不干扰，可以使用荧光比色法实现对钾离子和溶解氧的精准同时测量，且薄膜的稳定性高。

技术领域

本发明涉及生物材料技术领域，尤其涉及一种钾离子探针及其制备方法和应用，特别涉及一种钾离子探针及其制备方法、钾离子和溶解氧双功能传感薄膜及其制备方法。

背景技术

钾离子(K⁺)是哺乳动物细胞中含量最丰富的金属离子之一，约占人体干重的0.35％。它在众多生理活动中起着及其重要的作用，包括心脏搏动，肌肉收缩，神经信号传导和肾脏排泄等。K⁺不仅参与维持细胞内外渗透压和电解质平衡，调节血压，还参与调节整个神经系统生化信号的转导。哺乳动物细胞胞质中K⁺离子的浓度约为130-180mM，而细胞外的浓度为3.5-5.0mM。正常血清中钾离子水平一直维持在3.5-5.5mM之间，当摄入过量时，通常通过肾脏排泄来清除过多的K⁺。当血钾浓度高于5.5mM时，统称为高钾血症；在低高浓度(5.5-6.0mM)或中高浓度(6.1-6.9mM)时，常引起恶心，疲劳，肌肉无力，有时还伴随心律失常；当血钾浓度高于7.0mM时，通常导致心脏骤停甚至死亡。当血钾浓度低于3.5mM时，统称为低钾血症。临床上与低钾血症有关的症状包括：虚弱，麻痹，四肢强直、肠梗阻、恶心、呕吐等。K⁺浓度异常通常是某些疾病的早期征兆，如酗酒，厌食症，贪食症，心脏病，糖尿病，艾滋病和癌症等。

因此，寻找可以特异地研究、测量或实时监测细胞内外钾离子浓度的高灵敏方法对了解病理过程及疾病相关药物的开发及筛选意义重大。

氧气在环境保护、工程工艺、海洋水产、工业和农业等领域都是非常重要的元素或者参数之一，尤其是在生物领域中，氧气是细胞新陈代谢的重要原料之一，更是维持生命活动的能量之源。随着科学研究的不断发展，氧气浓度对于细胞的影响逐渐被我们认识。尽管氧气对于细胞的新陈代谢是必不可少的，但是氧气浓度的升高也会产生一定的毒性。在高浓度氧气环境下，需氧和微量需氧的细胞或者组织会启动自身的保护机制来应对当下的不正常环境。被称为活性氧物质的超氧化物(O₂^-)和过氧化氢(H₂O₂)将会成为细胞新陈代谢的副产物在细胞内不断的积累，因为这些活性氧物质比正常的氧分子更为活泼，最终氧化细胞内大分子进而使细胞凋亡。同样地，如果细胞内的氧浓度低于正常值，将会导致需氧和微量需氧的细胞或者组织缺血性损伤甚至细胞死亡。细胞缺氧也会导致出现各种各样的疾病，例如慢性血管疾病、神经障碍、肺病甚至癌症等等。

因此，能够准确而精确的测量细胞内的含氧量对于理解细胞的生物学活力、研究各种疾病的病理学以及诊断和治疗癌症有重大意义。

众所周知，细胞呼吸是发生在生物器官和组织内一系列的新陈代谢反应和过程，细胞以此来获得三磷酸腺苷(ATP)等能量并排出如二氧化碳等废弃物。尽管检测细胞内的氧含量已经被报道，但是仍旧不能忽视细胞外氧含量的检测，许多生物代谢的过程依然要通过检测细胞外氧含量来研究。在细胞新陈代谢反应过程中，线粒体是支撑需氧呼吸并获得ATP的关键性细胞器。然而，细胞呼吸并不是都依靠线粒体，还有一种呼吸类型并不需要线粒体，这种呼吸类型被称为非线粒体氧消耗。而研究非线粒体氧消耗的特征，则需要通过测量细胞外的氧消耗情况。因此，能够准确而精确测量细胞在呼吸过程中的氧气消耗情况对于评估有氧糖酵解率、氧化磷酸化作用和高通量的药物筛选等是非常重要的。