CN103123323B - 指示剂置换比色传感器阵列用于多种阴离子检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及指示剂置换比色传感器阵列用于水中多种阴离子检测的方法：将几种金属离子有色螯合剂与其相对应的金属离子受体在水溶液条件下进行混合生成螯合物，从而构建指示剂置换比色传感器阵列。借助于不同阴离子与金属离子之间的沉淀反应以及进一步生成络合物的作用，将金属离子从有色的螯合物中置换出来，从而引起螯合物颜色的变化。采用这种方法，可以迅速对水中S^2-，F^-，Cl^-，Br^-，I^-，SO₄ ^2-，PO₄ ^3-，CrO₄ ^2-，NO₂ ^-，C₂O₄ ^2-十种痕量阴离子是否超出国家的污水或饮用水排放标准进行快速判定。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“指纹图库”对照，从而对未知的阴离子进行定性或半定量的分析。

Description

指示剂置换比色传感器阵列用于多种阴离子检测的方法

技术领域

本发明涉及传感器，具体地说是一种指示剂置换比色传感器阵列用于水中多种痕量阴离子检测的方法。

背景技术

随着我国工业化进程的加快，人民的生活水平逐年提高，由此引发的环境污染已成为国家和公众普遍关注的问题，这其中阴离子污染物对人类健康构成的威胁不容忽视。这些阴离子污染物主要包括氰化物、硫化物、硫酸盐、氯化物、氟化物、碘化物、亚硝酸盐等。有色冶金、钢铁和铝加工、焦炭、合成有机玻璃、陶瓷、电子、电镀、化肥、农药厂的废水、杀虫剂等都可能产生大量这些污染物。其中硫化物可与人体内细胞色素、氧化酶及该类物质中的二硫键(-S-S-)作用，影响细胞氧化过程，造成细胞组织缺氧，危及人的生命。水中的氯化物含量过高，会损害金属管道和建筑物，妨碍植物生长；硫酸盐的含量大于250mg/L时有致泻作用等。

目前常规的阴离子检测方法包括：色谱法、电化学法，荧光法、流动注射法、离子色谱法、分光光度法等。这些方法普遍成本较高，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。同时，很多检测方法虽然可以检测较低浓度的阴离子污染物，但对于真实水体的检测，尤其是当有其他离子干扰情况下的检测显得力不从心。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。面对这些难题，最理想的解决方法就是原位实时检测，因此现场环境检测、移动实验室和便携式检测仪器等概念被许多研究人员提出。

科学家们已对阴离子污染物的现场环境检测做了大量的研究探索工作，基于光学原理，电化学原理，功能纳米材料等不同类型的传感器应运而生。这其中，光化学比色方法因其操作简便，成本低廉而受到科学家们的广泛关注。各种指示剂以及具有专一选择性的荧光制剂相继问世，这些指示剂的出现为阴离子的现场检测以及阴离子便携式检测仪的研发奠定了一定的基础。然而不同阴离子污染物对指示剂的相互交叉干扰成为不可避免的问题。随着各种数理统计技术的日趋成熟，阵列式分析成为克服这种问题的最佳选择。

发明内容

本发明的目的在于提供一种指示剂置换比色传感器阵列用于水中多种痕量阴离子检测的方法。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

1)金属离子有色螯合剂与对应金属离子螯合：

微摩尔浓度金属离子与对应的金属离子螯合剂按1∶1-1∶3摩尔比混合，产生颜色变化，以这些有色的螯合物作为阴离子指示剂材料。将18种金属有色螯合物置于3x6的18孔板中作为检测单元，提取每种有色螯合物对应的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统；

2)“指纹图谱”的建立：基于金属离子能与阴离子形成沉淀，在阴离子过量情况下，部分沉淀进一步溶解的原理，构建十种阴离子与金属有色螯合剂共同竞争金属离子的反应；将金属离子螯合剂与金属离子螯合后得到的阴离子指示剂分别取等体积加入到18孔板对应的孔中，然后向其中加入一定量的阴离子标准溶液[混合后溶液中阴离子的终浓度按其污水排放标准或生活饮用水标准，分别为：S^2-(3.0x10^-5M)，F^-(5.6x10^-4M)，Cl^-(7.05x10^-3M)，Br^-(5.0x10^-5M)，I^-(5.0x10^-5M)，SO₄ ^2-(2.55x10^-3M)，PO₄ ^3-(1.0x10^-4M)，CrO₄ ^2-(2.88x10^-5M)，NO₂ ^-(2.0x10^-5M)，C₂O₄ ^2-(5x10^-4M)]，阴离子与指示剂发生置换反应，导致指示剂发生颜色的变化。

采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop等软件对指示剂与阴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，为各个阴离子在污水或饮用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阴离子在污水或饮用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，对每种阴离子重复4次对应实验，将所有待测阴离子在污水或饮用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-VariateStatistic Package)或SPSS(Statistical Package for the SocialSciences)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阴离子，由指纹图谱色差强弱判定是否超出污水或饮用水排放标准。在一定条件下，还可对未知样本进行半定量的浓度分析。

具体为：

一种指示剂置换比色传感器阵列用于多种阴离子检测的方法，包括金属离子有色螯合剂与相应金属离子的螯合，阴离子置换，比色读取，以及样品测定，

以金属离子有色螯合剂及其相对应的金属离子受体在水溶液中的螯合物作为阴离子指示剂材料；为检测多种阴离子，将18种金属有色螯合物置于3x6的18孔板中作为检测单元，提取每种有色螯合物对应的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统；基于金属离子能与阴离子形成沉淀，在阴离子过量情况下，部分沉淀进一步溶解的原理，构建十种阴离子与金属有色螯合剂共同竞争金属离子的反应；通过提取各个反应后的溶液颜色信息，将所有这些信息归总，构建阵列系统：

1)金属离子螯合剂与其相对应的金属离子螯合：1×10^-6-5×10^-5摩尔浓度金属离子溶液与对应的金属离子螯合剂按离子与螯合剂1∶1-1∶3摩尔比混合，产生颜色变化；

所述金属离子有色螯合剂分别为：茜素，茜素红，偶氮胂III，二苯偶氮碳酰肼，玫瑰红银试剂，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚，1，3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯，紫尿酸铵，1-吡啶偶氮-2-萘酚；

金属离子受体分别为汞，铅，镉、银，镍、铜，钡，锆；

其搭配为：茜素+Pb²⁺，茜素+Cu²⁺，茜素红+Zr²⁺，偶氮胂III+Ba²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Pb²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Hg²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Cd²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Ni²⁺，玫瑰红银试剂+Cu²⁺，瑰红银试剂+Hg²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Cu²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Hg²⁺，1，3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯+Hg²⁺，紫尿酸铵+Cd²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Pb²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘+Cu²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Hg²⁺；

2)阴离子的置换反应：向步骤1)溶液中等体积加入1×10^-6-1×10^-2摩尔浓度的阴离子水溶液，充分反应；

3)比色读取：3x6的18孔板底部为透明视窗，将其底部置于扫描仪彩色成像设备的玻璃平板上，通过透射扫描法(通常用于底片扫描)采集步骤1)溶液添加阴离子待测物前后，步骤1)溶液的颜色变化；

4)“指纹图谱”的建立：

按照步骤1)-3)进行操作，不同之处在于，步骤2)阴离子水溶液为阴离子标准溶液，且混合后溶液中阴离子的终浓度按其污水排放标准或生活饮用水标准，分别为：S^2-(3.0x10^-5M)，F^-(5.6x10^-4M)，Cl^-(7.05x10^-3M)，Br^-(5.0x10^-5M)，I^-(5.0x10^-5M)，SO₄ ^2-(2.55x10^-3M)，PO₄ ^3-(1.0x10^-4M)，CrO₄ ^2-(2.88x10^-5M)，NO₂ ^-(2.0x10^-5M)，C₂O₄ ^2-(5x10^-4M)]，阴离子与指示剂发生置换反应，导致指示剂发生颜色的变化；

采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop软件对指示剂与阴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，为各个阴离子在污水或饮用水排放标准浓度下建立其对应的“指纹图谱库”；

5)未知阴离子水溶液样品测试过程：

按照步骤1)-3)进行操作，不同之处在于，步骤2)阴离子水溶液为未知阴离子水溶液样品；

将其颜色变化对应的红、绿、蓝(RGB)色光谱值构建样品的图谱：采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop软件对指示剂与阴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，为未知阴离子水溶液建立其对应的“指纹图谱”；

采用数理统计方法，运用Matlab、MVSP(Multi-VariateStatistic Package)或SPSS(Statistical Package for the SocialSciences)统计软件，将样品的图谱数据与“指纹图谱库”的数据库相对照，从而对未知浓度的阴离子进行定性或半定量的分析。

将传感器阵列对不同阴离子标准溶液在污水或饮用水排放标准浓度下的颜色变化数字化并构建相应的“指纹图谱库”后，为减少样本偏差，对每种阴离子重复4次对应实验，将所有待测阴离子在污水或饮用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-VariateStatistic Package)或SPSS(Statistical Package for the SocialSciences)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阴离子，由指纹图谱色差强弱判定是否超出污水或饮用水排放标准。

所述彩色成像设备为具备底片扫描功能的扫描仪，底片扫描功能的运用克服了溶液成像过程中反光及光影造成的影响，能够得到色彩均一稳定的溶液成像相片。

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。

所述“指纹图谱”是将图像数字化后的RGB值按比例用颜色方式进行可视化直观显示。

在样品测试过程后，提取反应前后溶液的颜色信息，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；

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。

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。

所述金属离子有色螯合剂分别为：茜素，茜素红，偶氮胂III，二苯偶氮碳酰肼，玫瑰红银试剂，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚，1，3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯，紫尿酸铵，1-吡啶偶氮-2-萘酚；

金属离子受体分别为汞，铅，镉、银，镍、铜，钡，锆。

所述传感器阵列中具有多种阴离子指示剂，每种阴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，有效排除了不同阴离子对同一种指示剂响应的相互干扰；

提取指示剂与阴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。带底片扫描功能的扫描仪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阴离子的“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.阴离子显色检测相对困难，主要是因其反应大部分基于氢键基础上，其作用力很弱。指示剂置换反应的应用，借助于阴离子与金属离子之间较强的沉淀及络合作用，将金属离子从螯合物中置换出来，使螯合物颜色产生变化，很大程度上提升了阴离子检测的灵敏度。

2.底片扫描的方式有效克服了溶液成像过程中普遍存在的反光及光影造成的影响，能够得到色彩均一稳定的溶液成像相片。

3.多种阴离子指示剂构成传感器阵列，每个阴离子有其相对应的指纹谱，而不仅仅只是一个指示剂响应。

4.指示剂与阴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，为每种阴离子构建与之对应的指纹图谱。

附图说明

图1为实验过程设计示意图，18种金属离子有色螯合剂置于3x6的18孔板101中，用封口膜102密封保存103；与之对应的18种金属离子溶液置于另一18孔板201的各个小池中，池底部有PTFE疏水透气膜，顶部密封，留有可供样品流出的毛细管203。整块板经由封口膜202密封，板底部留有进气口205。使用时，该板201与盛有螯合剂的18孔板103扣合，毛细管穿透螯合剂板的密封膜，经由盛金属离子的板底部鼓气后，气体透过PTFE膜204传递压力，将金属离子溶液压出，溶液通过毛细管后与螯合剂溶液混合，使螯合剂产生颜色变化。盛有阴离子溶液的18孔板采用同样方式与该螯合物溶液混合。扫描仪采集混合前后颜色变化，构建待测物“指纹图谱”。

图2为指示剂置换比色传感器阵列对10种阴离子在国家污水排放浓度或饮用水标准浓度的响应；所产生的颜色变化经由Photoshop软件按同等比例增强(为便于观察，颜色范围从8-23扩展到0-255)。该软件处理仅为展示颜色变化的强弱，并不影响各阴离子数字化后“指纹图谱”的数值。从图中可明显看出，10种阴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为指示剂置换比色传感器阵列对10种阴离子在污水或饮用水排放浓度响应的聚类分析。每种阴离子进行4次平行试验，传感器优良的重现性确保了同一种阴离子的4组平行试验很好地归为一类；同时，建立在各阴离子数字化后“指纹图谱”的数据库基础上，多维度的响应使得10种阴离子彼此得以有效区分。

具体实施方式

一种指示剂置换比色传感器阵列用于多种阴离子检测的方法，包括金属离子有色螯合剂与相应金属离子的螯合，阴离子置换，比色读取，以及样品测定，

以金属离子有色螯合剂及其相对应的金属离子受体在水溶液中的螯合物作为阴离子指示剂材料；为检测多种阴离子，将18种金属有色螯合物置于3x6的18孔板中作为检测单元，提取每种有色螯合物对应的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统；基于金属离子能与阴离子形成沉淀，在阴离子过量情况下，部分沉淀进一步溶解的原理，构建十种阴离子与金属有色螯合剂共同竞争金属离子的反应；通过提取各个反应后的溶液颜色信息，将所有这些信息归总，构建阵列系统：

1)金属离子螯合剂与其相对应的金属离子螯合：微摩尔浓度金属离子与对应的金属离子螯合剂按1∶1摩尔比混合，产生颜色变化；

2)阴离子的置换反应：加入微摩尔至毫摩尔级浓度的阴离子水溶液到上述溶液中，充分反应；

3)比色读取：3x6的18孔板底部为透明玻璃视窗，采用扫描仪彩色成像设备，通过透射扫描法(通常用于底片扫描)采集溶液添加阴离子待测物前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝(RGB)色光谱值构建样品的图谱；

4)在未知样品测试过程后，采用数理统计方法，运用Matlab，MVSP(Multi-Variate Statistic Package)或SPSS(StatisticalPackage for the Social Sciences)等统计软件，将样品的图谱数据与“指纹图谱库”的数据库相对照，从而对未知浓度的阴离子进行定性或半定量的分析。

标准“指纹图谱”库的建立：

将相同体积的180微升不同金属离子有色螯合剂含水溶液(水∶乙醇＝50％，体积比)置于3x6的18孔板对应孔中，孔板密封。同样将同等体积的20微升对应金属离子水溶液封于另一块3x6的18孔板中，两板相扣后，金属离子有色螯合剂与对应金属离子受体混合，产生有色金属离子螯合物，每个孔作为1个单元，18个彼此独立的单元间并联排布，构成传感器阵列；其搭配为：茜素+Pb²⁺，茜素+Cu²⁺，茜素红+Zr²⁺，偶氮胂III+Ba²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Pb²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Hg²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Cd²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Ni²⁺，玫瑰红银试剂+Cu²⁺，瑰红银试剂+Hg²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Cu²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Hg²⁺，1，3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯+Hg²⁺，紫尿酸铵+Cd²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Pb²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘+Cu²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Hg²⁺。

然后采用同样的方式向该传感器阵列中加入20微升的阴离子标准溶液[混合后溶液中阴离子的终浓度按其污水排放标准或生活饮用水标准，分别为：S^2-(3.0x10^-5M)，F^-(5.6x10^-4M)，Cl^-(7.05x10^-3M)，Br^-(5.0x10^-5M)，I^-(5.0x10^-5M)，SO₄ ^2-(2.55x10^-3M)，PO₄ ^3-(1.0x10^-4M)，CrO₄ ^2-(2.88x10^-5M)，NO₂ ^-(2.0x10^-5M)，C₂O₄ ^2-(5x10^-4M)]，阴离子与金属螯合剂同时竞争金属离子，产生颜色的变化。

阵列中每个孔中放置一种阴离子比色指示剂；各个孔中所含的阴离子指示剂彼此互不相同，由18个含有不同指示剂的单元构成一个3x6的比色传感器阵列；18孔板底部为透明的玻璃视窗；

于18孔板底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备通过投射扫描法(通常用于底片扫描)采集指示剂溶液暴露在各种不同阴离子前后的颜色变化，将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；

通过Photoshop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，为各个阴离子在国标污水排放标准或饮用水浓度下建立其对应的“指纹图谱”。对每种阴离子重复4次对应实验，将所有待测阴离子在国标污水排放标准或饮用水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，得到阴离子在国标污水排放标准或饮用水浓度下的聚类分析数据库。

未知样本的测定：

取其中一种阴离子作为待测样品，按其在国标污水排放标准或饮用水浓度左右配置未知样本溶液。

将相同体积的180微升不同金属离子有色螯合剂含水溶液(水∶乙醇＝50％，体积比)置于3x6的18孔板对应孔中，孔板密封。同样将同等体积的20微升对应金属离子水溶液封于另一块3x6的18孔板中，两板相扣后，金属离子有色螯合剂与对应金属离子受体混合，产生有色金属离子螯合物，每个孔作为1个单元，18个彼此独立的单元间并联排布，构成传感器阵列；其搭配为：茜素+Pb²⁺，茜素+Cu²⁺，茜素红+Zr²⁺，偶氮胂III+Ba²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Pb²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Hg²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Cd²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Ni²⁺，玫瑰红银试剂+Cu²⁺，瑰红银试剂+Hg²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Cu²⁺，2-(3，5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Hg²⁺，1，3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯+Hg²⁺，紫尿酸铵+Cd²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Pb²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘+Cu²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Hg²⁺。

然后采用同样的方式向该传感器阵列的每个单元中加入20微升的待测阴离子溶液，阴离子与金属螯合剂同时竞争金属离子，产生颜色的变化。

18孔板底部的玻璃视窗处设有彩色成像设备，彩色成像设备通过投射扫描法(通常用于底片扫描)采集指示剂溶液暴露在各种不同阴离子前后的颜色变化，将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；

通过Photoshop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。对该待测阴离子重复4次对应实验，将其对应的实验数值代入上步构建的标准指纹图谱库中，采用多维变量统计软件包MVSP(Multi-Variate Statistic Package)统计软件，在软件中采用聚类分析数理统计方法对结果进行归类，得到该待测阴离子的归属信息，以及其是否超出国标污水排放标准或生活饮用水标准浓度。

本发明将几种金属离子有色螯合剂与其相对应的金属离子受体在水溶液(水∶乙醇＝50％)条件下进行混合生成螯合物，从而构建一个3x6的指示剂置换比色传感器阵列。借助于不同阴离子与金属离子之间的沉淀反应以及进一步生成络合物的作用，将金属离子从有色的螯合物中置换出来，从而引起螯合物颜色的变化。采用这种方法，迅速对水中S^2-，F^-，Cl^-，Br^-，I^-，SO₄ ^2-，PO₄ ^3-，CrO₄ ^2-，NO₂ ^-，C₂O₄ ^2-十种痕量阴离子是否超出国家的污水或饮用水排放标准进行了快速判定。该传感器阵列用彩色成像设备通过投射扫描法从18孔板的底部采集指示剂暴露在各种不同阴离子前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝(RGB)色光谱值构建每种阴离子的“指纹图库”。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“指纹图库”对照，从而对未知的阴离子进行定性或半定量的分析。

采用这种方法，可以迅速对水中S^2-，F^-，Cl^-，Br^-，I^-，SO₄ ^2-，PO₄ ^3-，CrO₄ ^2-，NO₂ ^-，C₂O₄ ^2-十种痕量阴离子是否超出国家的污水或饮用水排放标准进行快速判定。该传感器阵列用彩色成像设备通过投射扫描法从18孔板的底部采集指示剂暴露在各种不同阴离子前后的颜色变化，将其颜色变化对应的红、绿、蓝(RGB)色光谱值构建每种阴离子的“指纹图库”。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“指纹图库”对照，从而对未知的阴离子进行定性或半定量的分析。

Claims (6)

1.一种指示剂置换比色传感器阵列用于多种阴离子检测的方法，包括金属离子有色螯合剂与相应金属离子的螯合，阴离子置换，比色读取，以及样品测定，其特征在于：

以金属离子有色螯合剂及其相对应的金属离子受体在水溶液中的螯合物作为阴离子指示剂材料；为检测多种阴离子，分别将17种金属有色螯合物置于3x6的18孔板的17个孔中作为检测单元，提取每种有色螯合物对应的颜色信息，将所有这些颜色信息归总，构建阵列系统；基于金属离子能与阴离子形成沉淀，在阴离子过量情况下，部分沉淀进一步溶解的原理，构建十种阴离子与金属有色螯合剂共同竞争金属离子的反应；通过提取各个反应后的溶液颜色信息，将所有这些信息归总，构建阵列系统：

1)金属离子螯合剂与其相对应的金属离子螯合：1×10^-6-5×10^-5摩尔浓度金属离子溶液与对应的金属离子螯合剂按离子与螯合剂1:1-1:3摩尔比混合，产生颜色变化；

所述金属离子有色螯合剂分别为：茜素，茜素红，偶氮胂III，二苯偶氮碳酰肼，玫瑰红银试剂，2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚，1,3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯，紫尿酸铵，1-吡啶偶氮-2-萘酚；

金属离子受体分别为汞、铅、镉、镍、铜、钡、锆；

其搭配为：茜素+Pb²⁺，茜素+Cu²⁺，茜素红+Zr²⁺，偶氮胂III+Ba²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Pb²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Hg²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Cd²⁺，二苯偶氮碳酰肼+Ni²⁺，玫瑰红银试剂+Cu²⁺，瑰红银试剂+Hg²⁺，2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Cu²⁺，2-(3,5-二溴-2-吡啶偶氮)-5-二乙氨基酚+Hg²⁺，1,3-二氨基-4-(5-溴-2吡啶偶氮)苯+Hg²⁺，紫尿酸铵+Cd²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Pb²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘+Cu²⁺，1-吡啶偶氮-2-萘酚+Hg²⁺；

2)阴离子的置换反应：向步骤1)溶液中等体积加入1×10^-6-1×10^-2摩尔浓度的阴离子水溶液，充分反应；

3)比色读取：3x6的18孔板底部为透明视窗，将其底部置于扫描仪彩色成像设备的玻璃平板上，通过透射扫描法，采集步骤1)溶液添加阴离子待测物前后，步骤1)溶液的颜色变化；

4)“指纹图谱”的建立：

按照步骤1)-3)进行操作，不同之处在于，步骤2)阴离子水溶液为阴离子标准溶液，且混合后溶液中阴离子的终浓度按其污水排放标准或生活饮用水标准，分别为：S^2-(3.0x10^-5M)，F^-(5.6x10^-4M)，Cl^-(7.05x10^-3M)，Br^-(5.0x10^-5M)，I^-(5.0x10^-5M)，SO₄ ^2-(2.55x10^-3M)，PO₄ ^3-(1.0x10^-4M)，CrO₄ ^2-(2.88x10^-5M)，NO₂ ^-(2.0x10^-5M)，C₂O₄ ^2-(5x10^-4M)，阴离子与指示剂发生置换反应，导致指示剂发生颜色的变化；

采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop软件对指示剂与阴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，为各个阴离子在污水或饮用水排放标准浓度下建立其对应的“指纹图谱库”；

5)未知阴离子水溶液样品测试过程：

按照步骤1)-3)进行操作，不同之处在于，步骤2)阴离子水溶液为未知阴离子水溶液样品；

将其颜色变化对应的红、绿、蓝(RGB)色光谱值构建样品的图谱：采用扫描仪彩色成像设备提取各个指示剂反应前后的颜色，通过Photoshop软件对指示剂与阴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，为未知阴离子水溶液建立其对应的“指纹图谱”；

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，从而对未知浓度的阴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：

将传感器阵列对不同阴离子标准溶液在污水或饮用水排放标准浓度下的颜色变化数字化并构建相应的“指纹图谱库”后，为减少样本偏差，对每种阴离子重复4次对应实验，将所有待测阴离子在污水或饮用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 theSocial Sciences)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阴离子，由指纹图谱色差强弱判定是否超出污水或饮用水排放标准。

3.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具备底片扫描功能的扫描仪，底片扫描功能的运用克服了溶液成像过程中反光及光影造成的影响，能够得到色彩均一稳定的溶液成像相片。

4.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。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：所述“指纹图谱”是将图像数字化后的RGB值按比例用颜色方式进行可视化直观显示。

6.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，提取反应前后溶液的颜色信息，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；

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；

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。