具体实施方式

以下将通过实施例对本发明进行详细描述。以下实例中，在没有特别说明的情况下，使用的各种原料均为市售品。

式(1)所示的PDI-Glu采用本发明前述方法制备获得，表征数据如下：

PDI-Glu的核磁共振氢谱(具体的核磁共振氢谱参见图1中所示)：¹H NMR(500MHz，D₂O)δ7.76(s，2H)，5.44(s，1H)，2.51(d，J＝77.6Hz，2H)。

PDI-Glu的核磁共振碳谱(具体的核磁共振氢谱参见图2中所示)：¹³C NMR(126MHz,DMSO-d₆)δ174.09，170.70，163.36，134.40，131.62，125.47，52.75，31.05。

PDI-Glu的分子式为C₃₄H₂₂N₂O₁₂，理论分子量为650.12，实际测得的分子量为649.11[M-H]^-。

制备例1

1)缓冲液的制备：使用分析天平称取一定质量的4-羟乙基哌嗪乙磺酸(HEPES)固体，并向其中加入蒸馏水，配置成10mmol/L的HEPES溶液，再使用0.1mol/L的氢氧化钠调节其pH值至5.5，然后将其放置在4℃冰箱中保存备用。

2)PDI-Glu、铝离子、氟离子和干扰物母液的配置：利用分析天平称取一定量的PDI-Glu，加入定量蒸馏水配置成浓度为5mmol/L的PDI-Glu母液，并保存于4℃冰箱。铝离子(本实例采用的为氯化铝)、氟离子以及其他阴离子的钠盐或钾盐(本实例采用的为钠盐)均按照以上方法进行配置。光谱测试时用配好的HEPES缓冲溶液(10mmol/L，pH值＝5.5)将PDI-Glu与铝离子稀释至所需浓度并孵育10min后用于测试。

3)实际样品的制备：实际样品有牙膏和自来水两种。在牙膏样品的分析中，选用从郑州大学校内超市购买的含0.14wt％氟离子(氟化钠)的中华牙膏。将500mg牙膏溶解在18.421ml超纯水中，超声处理30分钟，以10000rpm离心30分钟，然后用0.22μm微孔膜过滤上清液，制备氟离子含量为2mmol/L牙膏实际样品，并进行光谱检测。关于实际水样的检测，取自郑州大学实验室的自来水，并用0.22μm微孔膜过滤作为实际水样，与HEPES缓冲溶液(10mmol/L，pH＝5.5)以1:19的比例混合后，用于后续的荧光光谱分析。

4)透射电镜(TEM)制样：首先根据实验需要配置特定浓度的溶液，包括PDI-Glu(2μmol/L)，铝离子(7μmol/L)和氟离子(40μmol/L)，然后将配好的溶液各取2μL分别滴加到铜网上，然后将其小心放置，避免灰尘落入，待其自然晾干之后即可用于TEM测试。

实施例1：氟离子传感性能的研究

氟离子的检测过程如图3所示。从图3中可知，在PDI-Glu中加入铝离子时，铝离子与PDI-Glu侧链上的羧基配位，使本来处于分散状态的PDI-Glu分子发生π-π堆积，形成一种超分子聚集体PDI-Glu/Al³⁺，这种聚集情况的出现导致PDI-Glu的荧光发生强烈淬灭。当氟离子进入体系时，铝离子优先与氟离子结合，由PDI-Glu和铝离子形成的超分子聚集体能够通过氟离子诱导的铝离子去配位而重新分散。PDI-Glu从聚集状态变为单分散状态，从而伴随着荧光光谱的恢复。

实施例2：检测条件的优化

为了获得对氟离子的最佳传感性能，本发明对缓冲液的pH值和所需的铝离子浓度进行了筛选和优化。

首先，在5.5至8.5的pH范围内对铝离子与PDI-Glu的络合行为进行了研究。结果如图4所示，从图4中可以看出，当pH值小于5.5时，PDI-Glu在水中有不太稳定的风险。当pH值>5.5时，铝离子优先与OH^-结合形成Al(OH)₃沉淀，从而在一定程度上降低了荧光淬灭效率。

从图4中还可以看出，当pH为5.5时，既能够确保PDI-Glu的稳定性又能保证PDI-Glu与铝离子间优异的络合能力最优异。因此，本发明提供pH＝5.5的情况作为最佳pH值。

另外，发明人在图4的研究中发现PDI-Glu的荧光强度随着pH值的降低而降低，这表明在酸性条件下，PDI-Glu由于羧基的质子化而发生轻微的聚集；另外，随着pH值的降低，完全淬灭而所需的铝离子浓度也降低，这表明探针的预聚集可能有助于铝离子与PDI-Glu的络合。

本发明还提供了PDI-Glu(2μmol/L)随Al³⁺浓度增加的荧光光谱情况(λ_ex＝480nm)，具体的结果如图5中所示。图5中的(A)图表示铝离子浓度增加时，PDI-Glu荧光光谱的变化曲线。图5中的(B)图是对应的λ_em＝550nm的散点图。

从图5中可知，随着铝离子浓度的增加，PDI-Glu的荧光逐渐降低，且淬灭常数Ksv的值为7.68×10⁵M^-1。当铝离子浓度达到7μmol/L时，PDI-Glu的荧光淬灭达到98％。

因此，在氟离子的检测中，为了降低背景信号，本发明优选选择7μmol/L的铝离子作为最佳铝离子浓度。

综上所述，本发明确定氟离子的最佳检测环境以及PDI-Glu和铝离子的组合(pH＝5.5，10mmol/L HEPES，7μmol/L铝离子)。

实施例3：光谱性能研究

首先对PDI-Glu/Al³⁺在氟离子加入前后的紫外吸收光谱和荧光发射光谱的变化进行了探究。

PDI-Glu/Al³⁺的紫外吸收光谱的变化如图6中的(A)图(PDI-Glu(2μmol/L)随着F^-浓度增加的紫外吸收光谱图)所示，从图中可知，PDI-Glu在533nm，497nm，468nm处有三个吸收峰，在435nm处有一个弱而宽的吸收带，这可以归因于处于单分散状态下的PDI-Glu的电子跃迁：0-0跃迁、0-1跃迁、0-2跃迁和0-3跃迁。通过计算得出(A_0-0/A_0-1)的值约为1.52，与表示PDI-Glu单体的正常的Franck-Condon级数(A_0-0/A_0-1≈1.6)相近，表明PDI-Glu在水溶液中呈单分散状态。加入铝离子之后，所有的吸收峰均表现出红移和消色反应。随着铝离子浓度的增加，最终导致吸收强度的反转，即最强的吸收峰变为处在512nm处的0-1谱带。同时，Franck-Condon级数由1.52变为0.81，代表了PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体的形成。而当加入氟离子后，在吸收光谱中观察到了可逆的变化，A_0-0/A_0-1值恢复到1.48，表明PDI聚集体又重新转变为单分散状态。

在PDI-Glu及其与铝离子和氟离子的混合物的发射光谱中得到了相似的结果，如图6中的(B)图(PDI-Glu(2μmol/L)随着F^-浓度的增加的荧光发射光谱，λ_ex＝480nm)所示，加入铝离子时，PDI-Glu在550nm下的发光强度降低了98％，表明了禁止低能激子跃迁的较大的非辐射聚集体的形成。将氟离子引入到PDI-Glu/Al³⁺体系时，氟离子和PDI-Glu竞争着与铝离子结合，导致了PDI-Glu/Al³⁺聚集体的解聚集，造成了荧光强度高达36倍增加。这种荧光的“开启”行为证实了PDI-Glu/Al³⁺可用作荧光检测氟离子的有效探针。

通过监测PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体在不同浓度氟离子存在时造成的荧光光谱的变化来实现对氟离子的检测。如图6中的(A)图所示，随着氟离子浓度从0增加到70μmol/L，PDI-Glu/Al³⁺的荧光强度逐渐增加。在0.4至42μmol/L的范围内，PDI-Glu/Al³⁺的荧光强度与氟离子具有良好的线性关系，线性方程为y＝39234.82+78977.75x，相关系数R²＝0.999(参见图7)。

另外，国际纯粹与应用化学联合会(IUPAC)规定：检出限(LOD,Limit ofDetection)为某特定方法在给定的置信度内可从样品中检测出待测物质的最小浓度或量，一般是作为定性检出用。计算公式为LOD＝3σ/k，其中，σ为空白测量值标准偏差，k为标准曲线的斜率。根据IUPAC方法，计算得出LOD为0.24μmol/L。

定量限(LOQ,Limit of Quantification)是指样品中的被分析物能够被定量测定的最低量，其检测结果应具有一定的准确度和精密度，一般是做的定量分析用，公式为LOQ＝10σ/k。相应的，计算得出LOQ为0.8μmol/L。

实施例4

发明人比较了使用现有的传感系统与本发明的PDI-Glu/Al³⁺检测氟离子的情况，结果如表1所示。

应用本发明所述的PDI-Glu/Al³⁺检测氟离子的具体方法为：在1mL荧光比色皿中加入pH＝5.5的HEPES缓冲液，并将2μmol/L的PDI-Glu与7μmol/L的铝离子滴进比色皿中并充分混合，静置10min后，加入氟离子，在荧光检测仪上检测其荧光强度。

表1中的噻唑基偶氮喹唑啉酮杂化物的检测氟离子的方法参考“A.Synthesis andapplication of a new chemosensor based on the thiazolylazo-quinazolinonehybrid for detection of F^-and S^2-in aqueous solutions”中提供的方法，以及Sm(HL2h)(NO₃)²检测氟离子的方法参考“Luminescent sm(III)complex bearing dynamicimine bonds as a multi-responsive fluorescent sensor for F^-and PO₄ ^3-anionstogether with Zn²⁺cation in water samples”中提供的方法。具体的检测条件参见表1中的列举。

表1

从上述结果可以看出，本发明提供的PDI-Glu/Al³⁺传感系统具有制备简单，水溶性好，特异性高，合适的线性范围以及与高灵敏探针具有同一数量级的检测限等优点。

实施例5：可视化检测

在便携式紫外灯的照射下，前述荧光变化过程也可以通过裸眼来进行观测。从图8中可以看出，在添加氟离子前后，PDI-Glu/Al³⁺的溶液荧光从无色逐渐变为亮黄色。当氟离子浓度超过8μmol/L时，肉眼就可以辨别出荧光的发射。因此，将8μmol/L设置为可对氟离子进行定量检测的可视化检测限。

实施例6：选择性和抗干扰性研究

高选择性和抗干扰能力是评估化学传感器的重要要素，确定了探针是否具有可用在实际样中检测被分析物的能力。

在本研究中，本发明对常见的阴离子干扰物进行了测试，其中包括：HPO₄ ^2-，Cl^-，Br^-，I^-，AcO^-，OH^-，S^2-，NO^2-，S₂O₃ ^2-，HSO₃ ^-，NO₃ ^-，CO₃ ^2-和SO₄ ^2-。

首先对选择性进行了考察，在相同条件下，测量了70μmol/L的不同阴离子加入到PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体中的荧光发射光谱，结果如图9中所示。

从图9中可知，PDI-Glu/Al³⁺的发射强度除了在氟离子存在时，会有明显的荧光恢复外，其他所有阴离子几乎不会造成超分子聚集体的荧光响应(其中，氟离子的荧光增强程度是最强干扰物HPO₄ ^2-的7倍)。

为了能够更加直观、便捷的判断PDI-Glu/Al³⁺对氟离子的选择性，在手持紫外灯(365nm)照射的情况下，对各阴离子选择性物质与PDI-Glu/Al³⁺混合的溶液进行了考察。如图10所示，仅在70μmol/L氟离子存在的情况下，可用肉眼观察到PDI-Glu/Al³⁺显着的荧光增强，而等摩尔量的其他常见阴离子干扰物并不会对无荧光的PDI-Glu/Al³⁺造成影响，表明探针对氟离子具有极好的特异性。

由此可见，本发明的PDI-Glu/Al³⁺对氟离子的选择性不仅表现在荧光发射光谱上，还能够实现可视化，该结果说明PDI-Glu/Al³⁺对氟离子的可视化检测是具有可行性的。

抗干扰性即存在干扰物的情况下探针对分析物的检测性能，若干扰物存在时，依然可以保证优良的检测性能，则说明该探针的抗干扰能力强，可被应用于实际样检测的概率就越大，所以对抗干扰性的研究也是十分有必要的。通过在其他阴离子存在时，向PDI-Glu/Al³⁺溶液中添加氟离子进行竞争性结合研究。如图11所示，即使在存在其他竞争性阴离子(anion)的情况下，PDI-Glu/Al³⁺在与氟离子相互作用时仍显示出与滴定图谱同等程度的荧光恢复响应，而不受其他阴离子的干扰，说明探针具有优异的抗干扰能力，这为实际样品中氟离子的定量检测奠定了基础。

实施例7：作用机理研究

为了更好地理解探针对氟离子的传感行为，发明人进行了其他一些实验。首先，发明人考察研究了PDI-Glu/Al³⁺的稳定性，探针的稳定性是决定能否用于检测的先行条件。

如图12所示，PDI-Glu/Al³⁺在550nm处的荧光发射强度至少在60分钟的时间内保持稳定，这表明引起PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体光谱变化的行为是由于氟离子的添加所导致的，而不是超分子聚集体自身的不稳定造成的。

接着，发明人分析研究了氟离子对PDI-Glu/Al³⁺紫外吸收光谱的影响，由图13可见，随着氟离子浓度的增加，0-0，0-1，0-2跃迁峰逐渐恢复，Franck-Condon级数A_0-0/A_0-1也从0.81逐渐增加到1.52，所有吸收峰均表现出蓝移和增色作用，这些现象表明氟离子的加入诱导了PDI-Glu/Al³⁺聚集体发生解聚集。具体地，图13中的(A)图为PDI-Glu/Al³⁺聚集体随氟离子浓度的增加的紫外-可见吸收光谱的变化曲线，(B)图为对应的A_0-0/A_0-1的比值随氟离子浓度变化的散点图。

为了进一步证明荧光发射光谱的转变是由于PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体的解聚集而引起的，发明人研究了其荧光寿命和温度依赖的紫外吸收光谱。如图14所示，PDI-Glu的荧光寿命不会随着铝离子的添加而发生变化，这表明PDI-Glu和铝离子之间是一种形成超分子复合物的静态淬灭形成。

通过透射电子显微镜的观察(TEM)更加直观的证实了以上结果。图15中描绘了PDI-Glu及其与铝离子和氟离子的混合物的TEM照片，具体地，图15中的(A)图为PDI-Glu(单分散态)的TEM图像，(B)图为PDI-Glu/Al³⁺(聚集态)的TEM图像，(C)图为[PDI-Glu/Al³⁺]+[F^-](分散态)的TEM图像。发现氟离子的存在将PDI-Glu/Al³⁺的粒径减小到与单分散的PDI-Glu相同的粒径，这表明F^-使PDI-Glu/Al³⁺从聚集态过渡到单分散态。

荧光量子产率(Fluorescence Quantum Yield)又称荧光量子效率，是指激发态分子中通过发射荧光而回到基态的分子占全部激发态分子的分数。在该体系中对荧光量子产率的测量为存在氟离子时PDI-Glu/Al³⁺聚集态的转变提供了另一个证据。当在PDI-Glu/Al^{3 +}体系中加入70μmol/L的氟离子时，超分子聚集体的荧光量子产率由4.89％变为65.78％，接近于单分散的PDI-Glu(Φ＝69.94％)。这一结果也表明了氟离子诱导的PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体的聚集态的转变。

实施例8：牙膏样品中对氟离子的检测

氟离子是人体中最重要的微量元素之一，在适当的浓度下有利于牙齿健康，因此，常常被添加到牙膏中用于预防龋齿。但是，由于人体易与吸收氟离子，但代谢缓慢，长期或大量接触氟离子会在体内积累并造成一些病变。因此，对牙膏中的氟离子含量的快速、定量检测是非常有必要的。

发明人通过对市售的含0.14wt％氟离子(氟化钠)的中华牙膏样品进行一系列称量，溶解，分散等操作后，配置成氟离子含量为2mmol/L的母液作为牙膏实际样进行测试。采用加标回收的方法进行检测，结果如表2所示。尽管牙膏是复杂的混合物，可能包含各种各样的干扰物质，例如磷酸根和碳酸根，但本发明提出的检测方法检测到的氟离子含量与包装上标明的含量高度一致。且牙膏样品中所有回收率在96.00％至102.70％之间，相对标准偏差(RSD)<4.40％，证实了其实际应用于牙膏样本中的检测能力。

本方法优异的性能归因于PDI-Glu/Al³⁺与氟离子浓度之间具有良好的线性关系，且相关系数高(R²＝0.99)，并且具有出色的抗干扰性能。

表2：测定牙膏中F^-的分析结果

实施例9：自来水样品中对氟离子的检测

氟离子也是一种环境污染物，EPA规定饮用水中的最大氟离子浓度不超过4ppm，过量的氟离子不仅污染环境，并且会对人体造成危害。因此，本发明对实验室自来水中的氟离子含量进行了测试。实验室用自来水经过过滤后作为实际样品，与HEPES以1：19的比例进行混合后进行荧光检测，结果如表3中所示。计算可得实验室自来水中含氟量为20.1μmol/L，低于EPA标准。此外，优异的回收率和RSD数据表明，该方法可用于水实际样的可靠检测。

表3：测定自来水中F^-的分析结果

综上，本发明构建了一种基于水溶性PDI-Glu/Al³⁺超分子聚集体的荧光探针。然后分别探究了氟离子对PDI-Glu/Al³⁺的紫外吸收光谱和荧光发射光谱的响应。随后对该方法的检测性能进行了评估，包括检测限、线性范围、选择性和抗干扰性等各项指标。此外，对不同条件下的可视化检测性能进行了探究，包括紫外灯照射下和正常灯光照射下的可视化。对氟离子的检测机理进行了探究。最后，证实了本发明的PDI-Glu/Al³⁺被用于实际样品(牙膏和自来水)中氟离子的快速、高效检测优势。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。