CN102288556A

CN102288556A - 基于半胱胺修饰的纳米金溶液检测硫酸根离子的用途及方法

Info

Publication number: CN102288556A
Application number: CN2011101484747A
Authority: CN
Inventors: 叶邦策; 张闽
Original assignee: East China University of Science and Technology
Current assignee: East China University of Science and Technology
Priority date: 2011-06-03
Filing date: 2011-06-03
Publication date: 2011-12-21

Abstract

本发明提供了一种基于半胱胺修饰的纳米金溶液用以检测硫酸根离子的用途及方法，其检测方法包括以下步骤：向半胱胺修饰的纳米金溶液中加入缓冲溶液，稳定后，再加入待测硫酸根离子溶液进行反应，其中，所用缓冲溶液为醋酸钠-醋酸；步骤2对步骤1中所得的反应液通过目视比色法或测定紫外可见吸收光谱以测定硫酸根离子的浓度。本发明改变了目前常用的检测硫酸根离子的检测模式，无需复杂的操作过程及使用昂贵的大型仪器，节约了成本。且本发明的检测方法具有高度特异性、灵敏度高、检测响应快等优点，是一种有效实用的检测方法。

Description

基于半胱胺修饰的纳米金溶液检测硫酸根离子的用途及方法

技术领域

本发明涉及基于半胱胺修饰的纳米金溶液检测硫酸根离子的用途及方法。

背景技术

水体中硫酸根离子含量是划分水体化学类型，进行水质评测和显示某种水文地球化学特征的一项重要指标，对其含量的测定非常重要。

目前常规的方法如下表所示(参考文献：王晋强.水分析方法实验汇编[M].北京：地质出版社，1985)：

传统的硫酸根离子的检测方法一般需要添加相关的化学指示剂或者需要复杂的操作步骤及昂贵的大型仪器来完成对硫酸根离子的检测，费时费力，在实时在线高通量快速检测应用方面存在一定的局限性。这些方法在实时快速、高灵敏、高通量检测时对操作人员提出了很高的要求，检测成本一般较高。

发明内容

本发明的目的在于提供基于半胱胺修饰的纳米金溶液检测硫酸根离子的用途及方法，以克服现有检测硫酸根离子的方法中灵敏度不高或需要复杂的操作步骤及昂贵的大型仪器，难以实现在线高通量快速检测，不利于大规模推广的缺陷。

半胱胺修饰的纳米金表面带正电，在溶液体系中出于颗粒间相同电荷的排斥作用使得纳米金颗粒均匀分散而稳定存在。半胱胺修饰的纳米金具有很高的消光系数，其溶液的颜色与颗粒间的距离密切相关。本发明是建立在硫酸根离子诱导的纳米金聚集并伴随着纳米金溶液颜色和吸光度值的变化，从而实现对硫酸根离子的检测。二价的硫酸根离子与带正电的半胱胺修饰的纳米金之间的静电引力促进了这一过程的进行。

本发明人经过研究发现，氯金酸溶液在加入半胱胺溶液混合后，通过硼氢化钠还原作用，能够得到表面带正电的单一分散的均相纳米金胶体溶液，溶液呈现酒红色。当向制备好的纳米金溶液中再加入硫酸根离子溶液，由于硫酸根离子与带正电的纳米金表面胺根离子之间的静电相互作用介导纳米金之间形成网状结构，纳米金颗粒间距离减小而发生聚集，从而引起纳米金溶液颜色的变化，通过肉眼比色就能直接观测到颜色变化，或借助紫外-可见分光光度计，即可实现对硫酸根离子的检测。本发明提出的利用纳米金溶液随纳米金颗粒间距的变化而发生颜色的变化的性质，将其发展成为一种能够检测硫酸根离子的探针，实现对硫酸根离子的高灵敏度快速检测。

本发明解决所采用的具体技术方案是：一种基于半胱胺修饰的纳米金检测硫酸根离子的方法，首先取得半胱胺修饰的表面带正电的纳米金胶体溶液，如通过氯金酸在与半胱胺共存的条件下通过硼氢化钠的还原作用，制备得到半胱胺修饰的表面带正电的纳米金胶体溶液，其检测方法可依次包括以下步骤：

1)加入硫酸根离子标准溶液或样品溶液进行反应；

2)采用目视比色法或紫外-可见分光光度法实现对硫酸根离子的检测。

本发明步骤具体如下：

合成半胱胺修饰的表面带正电的纳米金作为探针，实现对硫酸根离子的定量检测，检出限能够到达国家标准要求。所述的纳米金粒径为30～40nm，纳米金的浓度为1～100nM。反应温度为10～38℃，合成纳米金所需时间为2小时。也可通过其他方式获取所需半胱胺修饰的表面带正电的纳米金溶液，如直接购买等。

本发明步骤1)为向所获取的半胱胺修饰的纳米金探针溶液中加入待测溶液进行反应。其中，待测溶液浓度，即硫酸根离子浓度为0～5×10^-5M，反应温度为10～38℃，反应时间为2～30分钟，所用缓冲溶液为醋酸钠-醋酸，反应浓度，即醋酸钠-醋酸浓度为10～40mM；当所用的缓冲液pH＝4时，能够提高检测的灵敏度及缩短检测时间。

本发明步骤3)为将步骤2)反应液，通过目视比色法或测定紫外-可见吸收光谱实现对硫酸根离子的检测。溶液颜色变紫色的，含有硫酸根离子；颜色越深，硫酸根离子含量越多；当520nm处吸光度降低，而在650～750nm吸收波段处吸光值升高的，待测溶液中含有硫酸根离子，呈阳性。

本发明的整个反应体系可控制在微升级别，体积为20～100微升，优化实验方案可表述如下：取10微升待测溶液加到90微升纳米金溶液(粒径30～40nm，反应浓度在1～100nm)中，孵育30分钟。缓冲溶液为醋酸钠-醋酸，反应浓度为10～40mM。通过目视比色法或利用紫外-可见吸收光谱进行检测。

本发明的基本原理可总结为：纳米金溶液颜色与纳米金颗粒的分散状态密切相关，使用化学还原的方法合成半胱胺修饰的表面带正电的纳米金胶体溶液，通过硫酸根离子和半胱胺修饰的纳米金表面的胺根离子之间的静电相互作用而形成交联的纳米金网络结构，实现了对硫酸根离子的检测。分散的纳米金呈现酒红色，聚集后变紫或变蓝，很快沉淀；聚集后的纳米金溶液在单分散的纳米金对应的紫外特征吸收波长处的吸光值显著降低，而在波长较长的波段处会有吸光值升高的现象。本发明的检测原理图可参见图1，半胱胺修饰的纳米金在加入硫酸根离子前后的紫外吸收光谱见图1(A)，其颜色的变化见图1(B)，左比色皿呈现酒红色的单分散状态的纳米金，而右比色皿是加入硫酸根离子反应后呈现紫色的聚集状态的纳米金，与其相对应的透射电镜(TEM)表征图分别见图1(C)和图1(D)。

与现有技术相比，本发明的优点如下：

1)本发明改变了目前常用的检测硫酸根离子的检测模式，无需复杂的操作过程及使用昂贵的大型仪器，节约了成本。本发明是目前第一次报道采用目视比色法或紫外-可见分光光度法实现对硫酸根离子的检测。

2)本发明的检测方法具有高度特异性，能够有效避免实验样品中可能共存物质的干扰，实用性强。

3)本发明的检测方法灵敏度高，检出限可达到～50ppb(对应于0.34μM的硫酸钠)，达到国家标准要求。该检测灵敏度优于或相近于使用离子色谱检测硫酸根离子的方法(范例①0.6μM，Wang，S.H.；Raptis，E.；Yeh，J.J Chromatogr A 2004，1039，51：范例②200ppb，Gandhi J.Determination of sulfate and chloride in denaturedethyl alcohol according to ASTM D 7319.)。

4)本发明的检测响应快速。直接采用半胱胺修饰的纳米金探针对硫酸根离子进行检测，整个检测过程不超过30分钟。

5)本法测定硫酸根离子的浓度范围0～5×10^-5M，拟合方程：Y＝0.09396+0.89304/[1+exp(19.27-X)/4.499]，相关系数R²＝0.9977。线性范围0～6×10^-6M(线性方程：Y＝0.007256 X+0.1053，R²＝0.9941)。本法在同等条件下测量5μM的硫酸根离子样品(8次重复)，所检出的数据的相对标准偏差(RSD)为3.6％，重现性好。

附图说明

图1是本发明的检测原理示意图。

图2是本发明对检测缓冲液优化的实验结果。

图3是本发明对检测缓冲液的最适pH条件优化的实验结果。

图4是本发明对检测不同浓度硫酸根离子所需的时间的实验结果。

图5是本发明检测硫酸根离子的目视比色法观测结果(A)，紫外吸收光谱图(B)，工作曲线(C)，线性区间工作曲线(D)。

图6是本发明检测硫酸根离子的干扰离子的对比结果。

具体实施方式

以下结合附图并通过实施例对本发明进一步说明。

下面用本发明对硫酸根离子检测的具体实施来进一步说明本发明。其中未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件或按照厂商所建议的条件。本发明中的室温是指进行实施操作的实验室温度23～26℃。

紫外-可见光谱检测：多功能酶标仪Synergy Mx(BioTek，USA)，扫描波长范围：400～800nm，使用384孔透明微孔板，取100μl反应液进行测定。

本发明实施中所用的纳米金参考文献(Cao，R.；Li，B.Chem.Commun.(Camb)2011，47，2865.)制备。具体步骤如下，400μl的213mM的半胱胺盐酸盐溶液与40ml的1.42mM的氯金酸溶液在50ml的圆底烧瓶中混合后在室温下避光振荡20分钟，然后在剧烈振荡的条件下再往烧瓶中迅速加入新配制的10μl的10mM的硼氢化钠溶液，接下来继续在室温下避光振荡60分钟。得到的酒红色溶液用0.22微米的过滤膜过滤，得到的滤液存放在4℃的冰箱中备用。本方法得到粒径为30～40nm的纳米金溶液。

本发明首先对硫酸根离子检测的实验条件进行优化，包括检测所需的缓冲液体系(缓冲液的组成及最佳pH条件)和检测时间的确定，如图2(A)所示，醋酸钠-醋酸缓缓冲体系(40mM，pH＝4.0)下硫酸根离子检测相较其他体系，反应更为迅速(当加入50μM硫酸根离子后，体系在5分钟内就达到平台值，迅速完成检测实验)，如图2(B)所示醋酸钠醋酸缓冲体系下，硫酸根离子检测的紫外可见吸收光谱的响应情况要比其他体系下的变化更为显著，这一缓冲体系条件下可以更快更好的完成对硫酸根离子的检测。如上缓冲体系条件不变，醋酸钠醋酸浓度为40mM，选择不同pH值的缓冲溶液进行检测，结果见图3。如图3(A)所示，纳米金吸光度比值A₆₅₀/A₅₂₀在加入硫酸根离子前后都随缓冲液pH值的改变而改变，而只有当纳米金在加入硫酸根离子前后其吸光度比值A₆₅₀/A₅₂₀的差值(ΔD)达到最大时，才能发挥最好的检测效果，得到的差值结果见图3(B)，从图3(B)可见较佳缓冲溶液pH值范围为3～5，最佳值为4。如前述最佳缓冲条件不变，进一步进行优化实验，确定了对不同浓度硫酸根离子的检测所需的时间，结果见图4。如图4所示，纳米金吸光度比值A₆₅₀/A₅₂₀在加入不同硫酸根离子后都随着时间的推移而不断增加，高浓度的硫酸根离子(50μM)加入后，反应在2分钟内即能达到平台值，完成检测，而不同浓度的硫酸根离子所需的反应时间有所差异，当加入低浓度的硫酸根离子(0.5μM)后，反应在30分钟内，达到稳定值，所以针对一系列不同浓度硫酸根离子检测时，反应体系混合后，需孵育30分钟再进行进一步的检测及数据分析。

以前述优化好的最优检测条件对硫酸根离子进行检测，完成本次发明。

检测步骤：取65μl制备的纳米金溶液与25μl醋酸钠-醋酸缓冲液(pH＝4，40mM)混合，然后加入10μl待测溶液，同时以不加硫酸根离子的溶液为一组，加入可能存在的干扰离子的若干组为对照，其中干扰例子的浓度五倍浓度于硫酸根离子，上述溶液混合后室温放置30分钟，然后通过目视比色法观测或紫外吸收光谱进行检测。

待测溶液选取硫酸根离子浓度为0～50μM间的溶液16组，进行实验。

其检测结果如下所示：

如图5所示：不同浓度的硫酸根离子的目视比色法观测结果如图5(A)所示，随着加入的硫酸根离子浓度的增加，384孔透明微孔板内的纳米金溶液会呈现从酒红色逐渐变化到紫色最后呈现灰色，溶液颜色状态与加入的硫酸根离子浓度相关；半胱胺修饰的纳米金响应不同浓度的硫酸根离子作用后所对应的紫外吸收光谱如图5(B)所示，纳米金吸光度比值A₆₅₀/A₅₂₀随硫酸根离子浓度变化的工作曲线如图5(C)所示，线性区间如工作曲线图5(D)所示，其中，工作曲线采用在650nm处和520nm处的吸光度比值进行表征；

具体检测结果如下表所示(16组)：

SO₄ ^2-(μM)	0	0.5	1	2	4	6	8	10
									A₆₅₀/A₅₂₀	0.103	0.105	0.108	0.113	0.121	0.137	0.171	0.218
SO₄ ^2-(μM)	15	20	25	30	35	40	45	50
									A₆₅₀/A₅₂₀	0.299	0.605	0.802	0.878	0.963	0.966	0.998	0.999

依照上表的检测结果，拟合硫酸根离子浓度与纳米金吸光度比值A₆₅₀/A₅₂₀的对应关系得到波兹曼S形方程：Y＝0.09396+0.89304/[1+exp(19.27-X)/4.499]，X：0～50μM，相关系数R²＝0.9977，同时可以在0～6μM的浓度区间内可以拟合得到一个线性方程：Y＝0.007256X+0.1053，R²＝0.9941，基于空白样品三倍标准偏差，得到的硫酸根离子的最低检测浓度为0.34μM(～50ppb，对应于硫酸钠的分子量计算得到的质量浓度)。为了验证本检测方法的精度，在线性区间内，同等条件下测量5μM的硫酸根离子样品(8次重复)，结果如下表所示(8组)：

图6所示为实施例检测硫酸根的干扰离子的对比结果，通过使用五倍浓度于硫酸根离子的其他离子(包括常见的阳离子，阴离子)作为干扰离子，结果说明该体系对硫酸根离子检测具有高度的特异性，其中图6所示亚硫酸根离子(SO₃ ^2-)对检测硫酸根离子(SO₄ ^2-)存在一定的干扰，原因是亚硫酸根离子在空气中不稳定易被氧化成硫酸根离子，所以这一部分影响可以忽略。

如以上实验，缓冲溶液pH值取3或5的条件下，同样可以得到上述类似实验结果，在此不再赘述。

综上结果，可见硫酸根离子能够与半胱胺修饰的纳米金探针特异性结合，引起纳米金从分散状态变成聚集状态的变化，而发生颜色及吸收光谱的变化。随硫酸根离子浓度的变化，无论是直接目视比色法观测，还是借助紫外可见分光光度计都能实现对样品中硫酸根离子的检测，检出限为～50ppb，能够达到国标要求，线性范围0～6×10^-6M，线性相关系数0.9941。本发明使用性强，能够有效避免实际样品中可能共存物质对硫酸根离子检测的干扰。

综上所述仅为发明的较佳实施例而已，并非用来限定本发明的实施范围。即凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应为本发明的技术范畴。

Claims

1.一种基于半胱胺修饰的纳米金溶液的用途，其特征在于，该纳米金溶液用于检测硫酸根离子。

2.如权利要求1所述的用途，其特征在于，所述纳米金溶液为氯金酸与半胱胺通过硼氢化钠还原的方式制备得到半胱胺修饰的纳米金溶液。

3.如权利要求1所述的用途，其特征在于，所述纳米金溶液纳米金表面带正电，粒径为30～40nm，纳米金溶液的反应浓度为1～100nM。

4.一种基于半胱胺修饰的纳米金溶液检测硫酸根离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1向半胱胺修饰的纳米金溶液中加入缓冲溶液混合，稳定后，再加入待测硫酸根离子溶液进行反应，其中，所用缓冲溶液为醋酸钠-醋酸；

步骤2对步骤1中所得的反应液通过目视比色法或测定紫外可见吸收光谱以测定硫酸根离子的浓度。

5.如权利要求4所述的检测硫酸根离子的方法，其特征在于，所述步骡1中所述纳米金溶液的反应浓度为1～100nM，待测溶液的反应浓度为0～5×10⁵M，所述缓冲溶液反应浓度为10～40mM，反应温度为室温，反应时间为2～30分钟。

6.如权利要求4所述的检测硫酸根离子的方法，其特征在于，所述室温为10～38℃。

7.如权利要求4所述的检测硫酸根离子的方法，其特征在于，所述缓冲溶液其pH值范围为3～5。

8.如权利要求5所述的检测硫酸根离子的方法，其特征在于，所述缓冲溶液pH值为4。