CN102478526A

CN102478526A - 溶液中痕量镍离子高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法

Info

Publication number: CN102478526A
Application number: CN2010105637696A
Authority: CN
Inventors: 冯亮; 关亚风; 张玥; 沈铮
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-05-30
Anticipated expiration: 2030-11-29
Also published as: CN102478526B

Abstract

本发明涉及比色分析，是一种溶液中痕量镍高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法：镍离子指示剂与含有痕量镍离子的溶液反应，产生悬浮分散于溶液中的沉淀，通过蠕动泵将含有该沉淀的溶液泵入流通池中，溶液通过夹在流通池中间的微孔膜后被过滤出来。采用电子成像设备捕捉沉淀过滤出来前后膜的颜色。提取膜颜色变化前后图像的红、绿、蓝(RGB)三个通道中的绿色通道变化值，构建镍离子与之相对应的浓度梯度标准曲线。在样品测试过程中，将所得样品的绿色通道变化值与曲线中的值比对，从而对未知样品中的镍离子进行定量的选择性分析。该方法可检测低至nM级的镍离子浓度，并可有效排除多达18种离子共存干扰，具有极高的选择性。

Description

溶液中痕量镍离子高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法

技术领域

本发明涉及比色方法，具体地说是一种溶液中痕量镍离子高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法。

背景技术

镍，因其优良的机械强度，较好的延展性，超强的记忆本领，以及稳定的化学性质而被广泛应用于钢铁、冶金、油漆、国防、电子、化学以及陶瓷等工业，给生产带来了革命性的变革。各种镍的污染也随之流失到环境中，给人们的生活带来威胁。镍虽是人体生命活动所必须的金属元素，每人每天可能的镍需要量为25～35μg，镍在体内参与酶的组成与代谢，能促进胰岛素分泌，降低血糖。然而，过量的镍对人体造成的危害确是不容忽视的。过量镍的摄入可导致心肌、脑部、肝肺以及肾功能的性变，甚至引发癌症。因此，在工业分析、环境检测、药物筛选及生命科学各领域均需要对镍的含量进行测定。我国在新的《生活饮用水卫生标准》中对日常饮用水中镍离子的含量进行了明确规定，不可超出20ng/L，相应的《污水综合排放标准》中，更是严格限制污水中镍离子的排放不可超过1mg/L。

国际上目前广泛采用的镍离子定性定量检测技术包括：分光光度法、原子吸收光谱法、电感耦合等离子体发射光谱法、电感耦合等离子体质谱法、阳极溶出伏安法、等离子体感应光谱法等。

这些方法能够成功检测水中痕量镍离子污染物，但普遍成本较高，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。目前市面上也有一些商品化的镍离子检测试纸，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。

发明内容

本发明的目的在于提供一种溶液中痕量镍离子高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

制备沉淀反应溶液，具体按如下过程制备：

1)指示剂溶液的制备：

将丁二酮肟，环己二酮肟，二甲酚橙，或双硫腙等指示剂按照0.1-10mg/mL的浓度溶于pH＝6-8的水溶液中。

2)镍标准溶液的制备：

采用娃哈哈饮用纯净水，将分析纯氯化镍按照最小200nM的浓度梯度差配制50nM-20μM的系列镍离子标准溶液。

3)沉淀反应：

将0.1-10mL上述①中的指示剂溶液加入到②的镍标准溶液中，充分混匀后静置≥10分钟，得悬浮分散有红色沉淀的溶液。

所述微孔纤维素膜在镍离子检测中的应用，采用比色法测定，

流通池的设计：流通池包括上方腔体、下方腔体、微孔纤维素酯膜，于下方腔体底部设置有透明玻璃视窗，上方腔体扣合于下方腔体上，微孔纤维素酯膜设置于上方腔体和下方腔体之间，并于上方腔体和下方腔体上分别设有出样口和进样口；通过微孔纤维素酯膜过滤溶液中生成的沉淀；

采用CCD、数码相机或扫描仪等彩色成像设备提取微孔纤维素膜过滤沉淀前后的颜色，通过Photoshop^TM等软件对膜过滤前后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，然后滤除ΔR和ΔB，仅提取ΔG的值，与相对应的镍离子标准溶液浓度构建标准浓度曲线，用于对未知浓度镍溶液的分析。

具体操作过程为，

1)标准比色卡的制备：首先配制浓度从50nM-20μM的一系列的镍离子标准溶液，根据检测精度要求，系列标准溶液间的浓度梯度差最小为200-1000nM；

将10-1000微升含0.1-1mg/mL镍离子指示剂的溶液加入到50-100mL上述配制的不同浓度梯度镍标准溶液中，静置≥10分钟后，采用蠕动泵将溶液泵入流通池，过滤溶液中生成的沉淀；

每次检测更换新的微孔纤维素酯膜；将过滤后膜上的颜色按其对应的镍离子标准溶液浓度制成标准比色卡；

提取膜颜色变化前后的红、绿、蓝(RGB)值进行差减，得到变化图像的ΔR，ΔG，ΔB值；滤去ΔR与ΔB值，将ΔG值对与之对应的镍标准溶液浓度做曲线，得到镍离子标准浓度曲线图；

2)样品溶液比色检测：

用带有0.45±0.2μm微孔滤膜过滤头的注射器吸取50-100mL待测样品，以除去样品中大颗粒或絮状杂质；移除过滤头，将溶液转移到烧杯中；用0.01-0.5M稀盐酸或氢氧化钠溶液调节过滤后样品溶液的pH值为6-8。

取50-100mL上述溶液，加入含0.1-10mg/mL镍离子指示剂的溶液，经过≥10分钟后，溶液趋于稳定；

采用蠕动泵将溶液泵人流通池，过滤溶液中生成的沉淀；将过滤后膜上的颜色与标准比色卡比对，得出大致浓度。提取膜颜色变化前后的红、绿、蓝(RGB)值进行差减，得到变化图像的ΔR，ΔG，ΔB值。滤去ΔR与ΔB值，将ΔG值代入镍标准溶液曲线中，求得与之相对应的准确待测镍溶液浓度。

本发明具有如下优点：

1.该方法通过对镍离子与指示剂生成分散悬浮于溶液中的沉淀进行过滤，对过滤出的沉淀颜色进行比色，通过彩色数码设备采集图像，将其数字化。将直观的颜色数字化后，使得定量测定成为可能，同时也进一步提升了灵敏度，微小的肉眼难以看见的颜色变化可以通过数字化后的差值更直观的显现出来。

2.溶液中的直接沉淀反应，无需将指示剂固定在膜上，解决了膜的使用寿命问题，大大增强了方法的可操控性。

3.单一通道ΔG值的提取有效过滤了红蓝两通道上的干扰，提取沉淀颜色的特征光谱波段，使该方法具有非常好的选择性。

4.标准浓度曲线的建立，使得对未知样品浓度的精确定量成为可能；排除了单一依靠比色卡，肉眼估计近似浓度的缺陷。

附图说明：

图1为流通池单元的结构示意图；

图2为标准比色卡以及标准浓度曲线。

图3为各种共存离子(12种金属离子：Pb²⁺，Hg²⁺，Cd²⁺，CrO₄ ^2-，Zn²⁺，Cu²⁺，Co²⁺，Fe³⁺，K⁺，Na⁺，Ca²⁺，Mg²⁺；6种阴离子：SO₄ ^2-，NO₃ ^-，NO₂ ^-，F^-，Ac^-，CO₃ ^2-)干扰情况下，镍离子溶液(5μM)经该方法比色测定后的绿色通道ΔG值。相对于没有共存离子干扰情况，小于6％的相对偏差证实了该方法极好的选择性。(白色柱为各种干扰金属离子与镍指示剂反应后采取同样方法得到的绿色通道ΔG值)

具体实施方式

标准比色卡以及标准浓度曲线的建立

1)指示剂溶液的制备：

将环己二酮肟按照0.8mg/mL的浓度溶于pH＝7的水溶液中。

2)镍标准溶液的制备：

采用娃哈哈饮用纯净水，将氯化镍按照最小200nM的浓度梯度差配制50nM-20μM的系列镍离子标准溶液。

3)沉淀反应：

将1mL上述①中的指示剂溶液加入到②的镍标准溶液中，充分混匀后静置10分钟，得悬浮分散有红色沉淀的溶液。

如图1所示，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，透过微孔纤维素酯膜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。

将该溶液通过蠕动泵泵入流通池，溶液经蠕动泵泵入有机玻璃底座的流通池下方腔体后，在蠕动泵压力下，透过硝酸醋酸混合纤维素酯膜，经流通池上方腔体后流出。沉淀则被硝酸醋酸混合纤维素酯膜有效地过滤出来，形成均一的红色薄膜附着在硝酸醋酸混合纤维素酯膜上。

每次检测更换新的微孔纤维素酯膜；采用CCD、数码相机或扫描仪等彩色成像设备提取硝酸醋酸混合纤维素酯膜过滤沉淀前后的颜色，如图2所示，将过滤后膜上的颜色按其对应的镍离子标准溶液浓度制成标准比色卡；

通过Photoshop^TM等软件对膜过滤前后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，然后滤去ΔR和ΔB，仅提取ΔG的值，如图2所示，与相应的镍离子标准溶液浓度构建标准浓度曲线，用于对未知浓度镍溶液的分析。

4)比色读取：

用带有0.45μm微孔滤膜过滤头的注射器吸取50mL含有镍离子的待测样品，以除去样品中的大颗粒或絮状杂质；移除过滤头，将溶液转移到烧杯中。加入1mL的0.8mg/mL指示剂溶液到滤去杂质后的镍离子样品溶液中，静置10分钟。将硝酸醋酸混合纤维素酯膜装配于流通池中，将静置反应后的样品溶液经蠕动泵匀速泵入流通池(3mL/min)，通过数码相机或扫描仪采集5分钟后硝酸醋酸混合纤维素酯膜的颜色变化。与标准比色卡对照，读取近似的浓度值。提取膜颜色变化前后的红绿蓝(RGB)值进行差减，得到变化图像的ΔR，ΔG，ΔB值。将ΔG值代入镍标准溶液曲线中，求得与之对应的待测镍溶液精确浓度

Claims

1.溶液中痕量镍离子高灵敏选择性检测的过滤比色分析方法，采用比色法测定，包括沉淀的生成，沉淀的过滤，颜色的提取，以及红、绿、蓝(RGB)三个通道中绿色通道的比对，其特征在于：

1)向含有痕量镍离子的样品溶液中加入0.1-10mg/mL镍离子指示剂，红色沉淀缓慢生成，经过≥10分钟后，溶液趋于稳定；

2)将悬浮分散有红色沉淀的溶液经由蠕动泵泵入流通池，

流通池包括上方腔体、下方腔体、微孔纤维素酯膜，于下方腔体底部设置有透明玻璃视窗，上方腔体扣合于下方腔体上，微孔纤维素酯膜设置于上方腔体和下方腔体之间，并于上方腔体和下方腔体上分别设有出样口和进样口；通过微孔纤维素酯膜过滤溶液中生成的沉淀；

3)于流通池底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备采集微孔纤维素酯膜过滤沉淀前后的颜色变化，提取沉淀过滤前后图像，与标准比色卡比对，得出镍大致浓度范围；提取图像的红、绿、蓝(RGB)值，然后过滤掉红蓝通道后，取绿色通道值与绿色通道标准曲线比对，得出镍的准确浓度。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：具体操作过程为，

1)标准比色卡的制备：首先配制浓度从50nM-20μM的一系列镍离子标准溶液，根据检测精度要求，系列标准溶液间的浓度梯度差最小为200-1000nM；

将10-1000微升含有0.1-10mg/mL镍离子指示剂的溶液加入到50-100mL上述配制的不同浓度梯度镍标准溶液中，

静置≥10分钟后，采用蠕动泵将溶液泵入流通池，过滤溶液中生成的沉淀；

每次检测更换新的微孔纤维素酯膜；将过滤掉沉淀后彩色成像设备采集的膜上颜色按其对应的镍离子标准溶液浓度制成标准比色卡；

2)样品溶液比色检测：用带有0.45±0.2μm微孔滤膜过滤头的注射器吸取50-100mL待测样品，以除去样品中大颗粒或絮状杂质；移除过滤头；将滤去杂质后的样品溶液转移到烧杯中，用0.01-0.5M稀盐酸或氢氧化钠溶液调节过滤后样品溶液的pH值为6-8；

3.根据权利要求1或2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。

4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：

在样品测试过程后，提取微孔纤维素酯膜过滤沉淀前后的图像，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；

所生成的红色沉淀的颜色能够通过数字化的形式反映出来，为定量分析提供依据。

5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述镍离子指示剂为丁二酮肟、环己二酮肟、二甲酚橙、或双硫腙。

6.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述微孔纤维素酯膜为醋酸纤维素膜，硝酸纤维素膜或醋酸硝酸混合纤维素酯膜；孔径φ＝0.45±0.2μm。