CN102466639A

CN102466639A - 光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法

Info

Publication number: CN102466639A
Application number: CN2010105408023A
Authority: CN
Inventors: 冯亮; 关亚风; 沈铮
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2010-11-12
Filing date: 2010-11-12
Publication date: 2012-05-23
Anticipated expiration: 2030-11-12
Also published as: CN102466639B

Abstract

本发明涉及光化学比色传感器阵列，是一种光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法：将几种重金属离子指示剂固定于多孔敏感膜上构成阵列，借助于彼此相互独立的多个单通道流通池系统，进行多通道分析，在10分钟内可对水中汞、铅、镉、银、砷、镍、铜、锌等多种痕量重金属离子是否超出国标规定的污水排放标准进行快速判定。该传感器阵列用彩色成像设备采集指示剂暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图谱”。在样品测试过程中，采用聚类分析以及主成分分析等数理统计方法，将样品的图谱与“指纹图谱”库对照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。

Description

光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法

技术领域

本发明涉及传感器，具体地说是一种光化学比色传感器阵列用于水中多种痕量重金属离子检测的方法。

背景技术

近年来，环境污染的及时预警和有效治理成为当前国家发展环节中极为重要的一环。一些有毒的重金属被广泛用于化工、医药等生产过程中后，最终大部分转化为可溶性的阳离子盐存在于自然界。世界卫生组织（WHO）和美国环保局（EPA）都对水中重金属离子污染物给予了高度的重视。我国也在新的《生活饮用水卫生标准》中对日常饮用水中重金属离子的含量进行了明确规定，并制定了《污水综合排放标准》，严格限制污水中重金属离子的排放。

国际上目前广泛采用的重金属离子定性定量检测技术包括：原子吸收（AAS）、电感耦合等离子体发射光谱（ICP-AES）、电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）、阳极溶出伏安、X射线荧光光谱法、等离子体感应光谱等。这些方法已能够成功检测水中痕量重金属离子污染物，基于这些方法的各种重金属离子检测仪也已商品化，如美国Trace Detect公司的Safe Guard，Yield Guard等系列产品。然而，上述诸多方法普遍成本较高，需要大型仪器和熟练的操作人员，且一般在现场采样，然后送到实验室进行离线分析，存在耗时，分析步骤复杂，分析仪器昂贵，采样频率低以及样品不易保存等缺点。在有些情况下，需要及时知道环境污染情形，以便迅速制定相应的处理对策；并且具有多种形态的重金属离子，其各化学形态之间往往处于动态平衡，繁琐的样品前处理（预分离、富集、衍生等）也会导致不同化学形态的重新分配，从而大大影响测定结果。面对这些难题，最理想的解决方法就是原位实时检测。目前市面上有一些商品化的重金属离子检测试纸，有些采取浸润含指示剂的有机溶液并晾干制得，未充分考虑指示剂的固定，导致试纸易脱色；另一些采用在制造试纸过程中将指示剂与纸浆混合进行制备，制作过程繁琐，且检测灵敏度不甚理想。除去简单的目视比色外，目前市面已有进口的光谱比色仪，但这些比色设备多仅仅只能对一种指示剂进行评估，不能消除多种样品对同一指示剂同时响应时的相互干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光化学比色传感器阵列用于水中多种痕量重金属离子检测的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

固定指示剂的用于重金属离子检测的传感膜，修饰有不同重金属离子指示剂的传感膜采用硅胶溶胶凝胶法固定指示剂，具体按如下过程制备：

四乙氧基硅烷：甲基三乙氧基硅烷：异丙醇：催化剂（0.1 M盐酸或硝酸）：水以1：0－0.5：1－2：0.003－1：10－50摩尔比混合，常温下水解5 －7小时，得溶胶；将10－80 mg重金属离子指示剂加入到5 mL上述合成的溶胶中，搅拌溶解，采用匀速提拉（提拉速度=2－15 mm/s）制膜方式，将溶有重金属离子指示剂的溶胶凝胶均匀涂覆于硝酸-醋酸混合纤维素酯膜上（φ=3±0.2 μm），氮气保护下室温干燥；得用于重金属离子检测的传感膜；

所述传感膜在重金属离子检测中的应用，采用比色法测定，

1）流通池的设计：流通池由有机玻璃材料制成，底部嵌有透明玻璃视窗，用于彩色成像设备对传感膜颜色变化的采集。传感膜经流通池上下腔体“三明治”式地夹在流通池中间，样品溶液经蠕动泵泵入有机玻璃底座的流通池下方腔体后，在蠕动泵的压力下，透过传感膜，经流通池上方腔体后流出。

2）“指纹图谱”的建立：将含有重金属离子指示剂的传感膜分别置于其相对应的并行排布，却彼此独立的单个流通池中，通过蠕动泵将50 mL含有国标污水排放标准浓度下的重金属离子标准溶液[汞（0.05 mg/L），铅（1 mg/L），镉(0.1 mg/L)，银(0.5 mg/L)，砷(0.5 mg/L)，镍(1 mg/L)，铜(1 mg/L)，或锌(2 mg/L)]泵入各个流通池，进行多通道分析。溶液透过膜后，重金属离子被不断富集，并与各个通道膜上的不同指示剂反应，导致指示剂发生颜色的变化。

采用CCD、数码相机或扫描仪等彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop^TM等软件对指示剂与重金属离子反应前后膜上产生的颜色进行数字化处理，得到指示剂反应前后图像对应的RGB值，将反应后图像的RGB值减去反应前图像的RGB值，提取“差减图像”的ΔR，ΔG，和ΔB值，然后按ΔR，ΔG，ΔB值还原对应的颜色图像，为各个重金属离子在国标污水排放标准浓度下建立其对应的“指纹图谱”。

3）数理统计：将传感器阵列对不同重金属离子在国标污水排放标准浓度下的颜色变化数字化并构建相应的“指纹图谱”后，为减少样本偏差，对每种重金属离子重复5-10次对应实验，将所有待测金属在国标污水排放标准浓度下对应的每组实验的ΔR，ΔG，ΔB值构建矩阵，采用多维变量统计软件包（Matlab, MVSP（Multi-Variate Statistic Package）或SPSS（Statistical Package for the Social Sciences）等统计软件，将矩阵导入软件后，在软件中采用聚类分析或主成分分析等数理统计方法对结果进行归类；对于未知样本，结合已有指纹图谱库及聚类分析后的结果，进行归一化，由未知样本归一的类别判定其为何种重金属离子，由指纹图谱色差强弱判定是否超出国标污水排放标准。

具体为：

光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法，所述传感器包括2个或2 个以上的彼此相互独立的单通道流通池，以修饰有重金属离子指示剂的复合纤维素酯膜为多孔敏感材料，作为传感膜；将含有不同重金属离子指示剂的传感膜分别固定于对应的单个流通池中，每个流通池作为1个单元，2个或2个以上彼此独立的单元间并联排布，构成传感器阵列；阵列中每个流通池单元放置一片修饰有一种重金属离子指示剂的传感膜；各个流通池单元中传感膜所含的重金属离子指示剂彼此互不相同，由2个或2个以上含不同重金属离子指示剂传感膜的流通池构成阵列；所述流通池底部设置有透明的玻璃视窗；

1）待检测重金属离子标准溶液通过蠕动泵从流通池底部泵入各个流通池，透过含有指示剂的多孔复合纤维素酯膜，随后从流通池顶部流出；借助于彼此相互独立的多个流通池系统，进行多通道分析；待检测重金属离子标准溶液以国标污水综合排放标准所规定的最高浓度为准；

于流通池底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备采集多孔传感膜上指示剂暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将2种或2种以上指示剂颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图库”；

2）样品溶液通过蠕动泵从流通池底部泵入各个流通池，透过含有指示剂的多孔复合纤维素酯膜，随后从流通池顶部流出；借助于彼此相互独立的多个流通池系统，进行多通道分析；

于流通池底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备采集多孔传感膜上指示剂暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将2种或2种以上指示剂颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建样品的图谱；

3）在样品测试过程后，采用数理统计方法，运用Matlab, MVSP或SPSS统计软件，将样品的图谱数据与“指纹图库”的数据库相对照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。

所述彩色成像设备为CCD、数码相机或扫描仪。

所述数理统计是将图像数字化后对数据聚类分析或主成分分析方法。

在样品测试过程后，提取指示剂与重金属离子反应前后的图像，选定均一的特定区域，求得其对应的色彩平均RGB值，将直观的图像数字化，并进行差减；

指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过数字化的形式反映出来，为定量与半定量分析提供依据，同时有利于数据库的数理统计分析，为每种重金属离子构建与之对应的指纹图谱。

所述色彩平均RGB值：对由图像颜色变化构建的数据库进行数理统计分析，采用一种聚类分析或主成分分析用于数据归一化的方法，进行分类。

所述重金属离子指示剂为双硫腙，1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚，二苯偶氮碳酰肼，二甲酚橙，茜素，丁二酮肟，1,2-环己二酮肟，玫瑰红银试剂，安替吡啉中的二种或二种以上；复合纤维素酯膜为醋酸纤维素酯膜，硝酸纤维素酯膜或醋酸硝酸混合纤维素酯膜；多孔敏感材料的孔径φ=3±0.2 μm。

所述传感器阵列中具有多种重金属离子指示剂，每种重金属离子可能在其它非特异性指示剂上也有响应，因此可以形成相对应的指纹响应谱，而不仅仅只是一种指示剂响应；增加了传感器的响应维度，有效排除了不同重金属离子对同一种指示剂响应的相互干扰；

提取指示剂与重金属离子反应前后的图像，选定均一的特定区域，求得其对应的色彩平均RGB值，将直观的图像数字化，并进行差减。

所述的流通池系统能够让样品溶液透过涂覆有含指示剂的复合纤维素酯膜。重金属离子在透过膜的同时，能够被富集，并与指示剂充分接触反应，加速其反应动力学过程。

所述数理统计分析为未知样品的合理归类提供理论支持。

含重金属离子的待测溶液通过流通池系统透过检测试纸，以加速指示剂与重金属离子的反应动力学过程，从而提升检测灵敏度。CCD、数码相机或扫描仪等被用来在线提取指示剂反应前后的颜色变化并进行数字化处理，所形成的颜色变化阵列构成对应重金属离子的“指纹图谱”。聚类分析和主成分分析等数理统计方法被用来对未知样品进行归类分析。

本发明具有如下优点:

1. 独特设计的流通池能够让样品溶液顺利透过涂覆有含指示剂的多孔复合纤维素膜。重金属离子能够在透过过程中被有效富集，并与指示剂充分接触，加速了指示剂与重金属离子的反应动力学过程。

2. 多种重金属离子指示剂构成传感器阵列，每个重金属离子有其相对应的指纹谱，而不仅仅只是一个指示剂响应。

3. 指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过数字化的形式反映出来，为定量与半定量分析提供基础，同时有利于数据库的数理统计分析，为每种重金属离子构建与之对应的指纹图谱。

附图说明

图1为流通池单元的设计，样品溶液经蠕动泵泵入有机玻璃底座（102）的流通池下方腔体（202）后，在蠕动泵的压力下，透过敏感膜（301），经有机玻璃底座（101）的流通池上方腔体（201）后流出。流通池底部为透明玻璃视窗（401），成像系统经由溶液透过膜的方向取像。

图2 为光化学比色传感器阵列对8种重金属离子在国家污水排放浓度的响应（X-1、C-7、P-1、D-5、D-4分别为五种重金属离子指示剂；为便于观察，红色框颜色范围从1-3扩展到0-255；其余颜色范围从4-11扩展到0-255）。

所产生的颜色变化经由Photoshop^TM软件按同等比例增强后显示在图中。该软件处理仅为展示颜色变化的强弱，并不影响各重金属离子数字化后“指纹图谱”的数值。从图中可明显看出，8种重金属离子分别显示了其独有的“指纹图谱”，为其有效进行区分奠定了基础。

图3为光化学比色传感器阵列对8种重金属离子在国家污水排放浓度响应的聚类分析。每种重金属离子进行5次平行试验，传感器优良的重现性确保了同一种重金属离子的5组平行试验很好地归为一类；同时，建立在各重金属离子数字化后“指纹图谱”的数据库基础上，多维度的响应使得8种重金属离子彼此得以有效区分。

具体实施方式

标准“指纹图谱”库的建立：

1）固定指示剂的用于重金属离子检测试纸，用于重金属离子检测试纸采用硅胶溶胶凝胶法固定指示剂，具体按如下过程制备：

硅胶溶胶凝胶的合成：

四乙氧基硅烷：甲基三乙氧基硅烷：异丙醇：催化剂：水以1：0－0.5：1－2：0.003－1：10－50摩尔比混合，常温下水解5－7小时，得溶胶；将10-80 mg重金属离子指示剂加入到5 mL上述合成的溶胶中，搅拌溶解，采用匀速提拉（提拉速度=2－15 mm/s）制膜方式，将溶有重金属离子指示剂的溶胶凝胶均匀涂覆于硝酸-醋酸混合纤维素酯膜上（φ=3±0.2 μm），氮气保护下室温干燥；得用于重金属离子检测的传感膜；

具体为：

硅胶溶胶凝胶的合成：四乙氧基硅烷：甲基三乙氧基硅烷：异丙醇：催化剂（0.1 M 盐酸）：水以1：0.1：2：0.003：25摩尔比混合，常温下水解6小时。

重金属离子指示剂的固定：将不同质量重金属离子指示剂[二甲酚橙（10 mg）, 1,2-环己二酮肟(80 mg), 1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚(15 mg)，二苯氨基脲（80 mg）,玫瑰红银试剂(80 mg)]加入到5 mL上述合成的溶胶中，搅拌溶解，采用匀速提拉（提拉速度=2 mm/s）制膜方式，将溶有重金属离子指示剂的溶胶凝胶均匀涂覆于硝酸-醋酸混合纤维素酯膜上（φ=3±0.2 μm），氮气保护下室温干燥；得用于重金属离子检测的传感膜；

2）比色读取：将敏感膜分别装配于各个流通池底座的台阶上，盖上流通池有机玻璃上盖，使得敏感膜能够正好卡在流通池中部；启动蠕动泵，以3 mL/min的均匀速率将重金属离子国标污水排放浓度下的样品标准溶液[汞（0.05 mg/L），铅（1 mg/L），镉(0.1 mg/L)，银(0.5 mg/L)，砷(0.5 mg/L)，镍(1 mg/L)，铜(1 mg/L)，或锌(2 mg/L)]泵入流通池系统，各个通道的不同指示剂与重金属离子反应后分别产生不同颜色变化，通过扫描仪读取。

3）通过Photoshop^TM软件分析各指示剂颜色变化前后的RGB值，将反应后的指示剂RGB值减去反应前的RGB值，得到差值图像的ΔR, ΔG, ΔB值。然后按ΔR，ΔG，ΔB值还原对应的颜色图像，为各个重金属离子在国标污水排放标准浓度下建立其对应的“指纹图谱”。对每种重金属离子重复5次对应实验，将所有待测金属在国标污水排放标准浓度下对应的每组实验的ΔR，ΔG，ΔB值构建矩阵，采用多维变量统计软件包MVSP（Multi-Variate Statistic Package）统计软件，将矩阵导入软件后，在软件中采用聚类分析数理统计方法对结果进行归类，得到重金属离子在国标污水排放标准浓度下的聚类分析数据库。

未知样本的测定：

取其中一种重金属离子作为待测样品，按其在国标污水排放标准浓度左右配置未知样本溶液。

硅胶溶胶凝胶的合成：

具体为：

2）比色读取：将敏感膜分别装配于各个流通池底座的台阶上，盖上流通池有机玻璃上盖，使得敏感膜能够正好卡在流通池中部；启动蠕动泵，以3 mL/min的均匀速率将未知样本重金属离子溶液泵入流通池系统，各个通道的不同指示剂与重金属离子反应后分别产生不同颜色变化，通过扫描仪读取。

3）通过Photoshop^TM软件分析各指示剂颜色变化前后的RGB值，将反应后的指示剂RGB值减去反应前的RGB值，得到差值图像的ΔR, ΔG, ΔB值。然后按ΔR，ΔG，ΔB值还原对应的颜色图像，与各个重金属离子在国标污水排放标准浓度下建立的“指纹图谱”库比对，得到未知样本所含何种重金属离子的信息。将待测金属溶液对应的ΔR，ΔG，ΔB值输入重金属离子在国标污水排放浓度下得到的标准矩阵库，采用多维变量统计软件包MVSP（Multi-Variate Statistic Package）统计软件，将所得矩阵导入软件后，在软件中采用聚类分析数理统计方法对结果进行归一化，得到未知样品重金属离子的浓度是否超出国标污水排放标准的信息；

本发明将几种重金属离子指示剂固定于多孔敏感膜上构成阵列，借助于彼此相互独立的多个单通道流通池系统，进行多通道分析，在10分钟内可对水中多种痕量重金属离子进行快速半定量的测定。该传感器阵列用彩色成像设备采集指示剂暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图谱”。在样品测试过程中，采用聚类分析以及主成分分析等数理统计方法，将样品的图谱与“指纹图谱”库对照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。本方法包括流通池的设计、色差的提取、以及数据的数理统计三步。独特的流通池设计使得重金属离子在流经含指示剂的敏感膜时被充分富集，提高了指示剂与重金属离子反应的几率；相互独立的多个单通道流通池阵列避免了彼此间的干扰；重金属离子被富集后，与指示剂发生显色反应，其颜色变化经成像设备采集，并数字化，为定量或半定量测定提供依据，并能对肉眼无法观察到的细小色差进行辨别，进一步提升传感器的检测灵敏度。

Claims

1.光化学比色传感器阵列用于多种重金属离子检测的方法，所述传感器包括2个或2 个以上的彼此相互独立的单通道流通池，其特征在于：

以修饰有重金属离子指示剂的复合纤维素酯膜为多孔敏感材料，作为传感膜；将含有不同重金属离子指示剂的传感膜分别固定于对应的单个流通池中，每个流通池作为1个单元，2个或2个以上彼此独立的单元间并联排布，构成传感器阵列；阵列中每个流通池单元放置一片修饰有一种重金属离子指示剂的传感膜；各个流通池单元中传感膜所含的重金属离子指示剂彼此互不相同，由2个或2个以上含不同重金属离子指示剂传感膜的流通池构成阵列；所述流通池底部设置有透明的玻璃视窗；

于流通池底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备采集多孔传感膜上指示剂暴露在各种不同重金属离子前后的颜色变化，将2种或2种以上指示剂颜色变化对应的红、绿、蓝（RGB）色光谱值构建每种重金属离子的“指纹图谱”；

3）在样品测试过程后，采用数理统计方法，运用Matlab, MVSP（Multi-Variate Statistic Package）或SPSS（Statistical Package for the Social Sciences）统计分析软件，将样品的图谱数据与“指纹图谱”库的数据库相对照，从而对未知的重金属离子进行定性或半定量的分析。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述彩色成像设备为CCD、数码相机或扫描仪。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述数理统计是将图像数字化后对数据聚类分析或主成分分析方法。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在样品测试过程后，提取指示剂与重金属离子反应前后的图像，选定均一的特定区域，求得其对应的色彩平均RGB值，将直观的图像数字化，并进行差减；

指示剂与重金属离子反应后所产生的颜色变化能够通过数字化的形式反映出来，为定量与半定量分析提供依据，同时有利于数据库的数理统计分析，为每种重金属离子构建与之对应的“指纹图谱”；

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述重金属离子指示剂为双硫腙，1-（2-吡啶偶氮）-2-萘酚，二苯偶氮碳酰肼，二甲酚橙，茜素，丁二酮肟，1,2-环己二酮肟，玫瑰红银试剂，安替吡啉中的二种或二种以上；

复合纤维素酯膜为醋酸纤维素酯膜，硝酸纤维素酯膜或醋酸硝酸混合纤维素酯膜；

多孔敏感材料的孔径φ=3±0.2 μm。