CN103226103B

CN103226103B - 一种汞离子比色检测探针及其应用方法

Info

Publication number: CN103226103B
Application number: CN201310114953.6A
Authority: CN
Inventors: 柴芳; 苏东悦; 马亚杰; 杨馨; 夏清冬
Original assignee: Harbin Normal University
Current assignee: Guangdong Gaopu Quality Technology Service Co., Ltd.
Priority date: 2013-04-04
Filing date: 2013-04-04
Publication date: 2015-02-04
Anticipated expiration: 2033-04-04
Also published as: CN103226103A

Abstract

本发明属于检测技术领域，具体涉及一种比色检测水溶液中重金属离子汞的方法。本发明是利用硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为比色探针，硫辛酸利用其二个巯基基团与金纳米颗粒结合并配位形成稳定的结构，调节其pH值，使其表面含有大量自由羧基的结构，在检测过程中，羧基易与重金属离子汞配位，利用金纳米颗粒的表面等离子体共振的性质，可以通过溶液颜色由红变紫来指示水溶液中重金属离子Hg²⁺的存在。本发明灵敏度高，选择性好，不需要大型仪器，可实现原位快速检测，检测结果直观，可以通过裸眼观察，并且操作简单造价低，所用试剂和操作过程无毒副作用。

Description

一种汞离子比色检测探针及其应用方法

技术领域

本发明属于纳米检测技术领域，具体涉及一种汞离子比色检测探针及其应用方法，以及该探针在水溶液中的选择性地识别重金属离子的应用。

背景技术

重金属离子（汞Hg²⁺；铅Pb²⁺；镉Cd²⁺；铜Cu²⁺），特别是汞、镉、铅、铜等具有显著的生物毒性。重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。主要由采矿、废气排放、污水灌溉和使用重金属制品等人为因素所致。以各种化学状态或化学形态存在的重金属，在进入环境或生态系统后就会存留、积累和迁移，造成危害。其中，汞是一种普遍的环境中重金属，具有高毒性，它以不同的形式存在（金属离子，有机、无机盐或化合物），对人体健康造成严重的不良影响。金属汞和有机汞蒸气衍生物（如甲基汞）会影响大脑的许多不同的领域及与之相关的功能，无机汞会损害心脏，肾脏，胃和肠等。Hg²⁺是汞最稳定无机形式之一，具有高的细胞毒性，是一种腐蚀性的致癌物。汞在水体中不能被微生物降解，而只能发生各种形态相互转化和分散、富集过程(即迁移)。最普通的汞源-甲基汞，可以通过食物链聚集在人体内，引起严重和永久性的对脑等器官的慢性中毒伤害［Lee J S, Han M S, Mirkin C A, Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 4093–4096.］。因此，日常对河流或大的水体环境监测检验Hg²⁺和评估水体中提供的食物安全是至关重要的。2001年美国环保局 (EFA)发布，在饮用水中汞离子的含量不能超过2 ppb (10 nM)。因此，实现环境领域或生物体中的汞离子的实时检测以及原位快速检测，并且达到较高的灵敏度具有十分重要意义。

对于金属离子的检测，传统的方法电感偶合等离子体法（ICP）和原子吸收光谱法都是十分有效的，但是它们除了需要大型仪器以外，还需大量样品。此外还有利用络合剂和与离子形成有色络合物进行比色测定的方法，但其灵敏度低，重现性差，现在一般很少采用。比色分子探针技术应用于过渡金属及重金属离子的检测，可实现原位检测，但很多比色探针通常在有机溶剂中有较好的检测效果，而在水溶液中有一定的局限性。近年来，使用核酸适体（适配子）或DNA酶等作为功能化试剂来与金纳米颗粒制备探针，用于检测Hg²⁺ [Xue X J, Wang F, Liu X G, J. Am. Chem. Soc. 2008, 130, 3244–5; Liu C W, Hsieh Y T, Huang C C, Lin Z H, Chang H T, Chem. Comm. 2008, 2242–4; Wang H, Wang Y X, Jin J Y, Yang R H, Anal. Chem. 2008, 80, 9021 – 9028; Ye B C, Yin B C, Angew. Chem. Int. Ed. 2008, 47, 8386–9; Liu B, Biosensors and Bioelectronics, 2008, 24, 756-760; Yu C J, Cheng T L, Tseng W L, Biosensors and Bioelectronics, 2009, 25, 204-210.] 等重金属离子，可以达到较好的灵敏度和选择性，但由于DNA和酶造价较高，不能成为普遍应用的选择。

针对以上问题，我们研究了一种利用功能化的金纳米颗粒用为比色探针来检测重金属离子的方法。本发明提供一种操作简单、快速定量检测重金属离子汞的方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种能在水溶液中检测重金属汞离子的比色检测探针。

本发明的另一目的是提供一种汞离子比色检测探针在重金属离子检测中的应用方法。

本发明所述的汞离子比色检测探针为硫辛酸（TA）功能化的比色金纳米颗粒。

硫辛酸功能化的金纳米颗粒通过比色检测的方法，可检测出水溶液样品中含有的微量的重金属离子Hg²⁺。

一、比色探针硫辛酸功能化的纳米金颗粒(TA -GNPs)的合成：

比色探针硫辛酸功能化的纳米金颗粒(TA -GNPs)根据已报道的文献方法［Lin S Y, Tsai Y T, Chen C C, Lin C M, Chen C H, J. Phys. Chem. B. 2004, 108, 2134–2139.］合成，合成过程分二步：

1、金纳米颗粒的制备：根据已有文献报道的方法合成，将100mL的0.3mM氯金酸（HAuCl₄·3H₂O）水溶液放入圆底烧瓶中，在剧烈搅拌条件下加热沸腾，然后快速加入由0.05g柠檬酸三钠加入到5mL水中配制成的柠檬酸三钠水溶液，使混合溶液继续保持加热回流约15分钟，这个过程中可观察到，氯金酸溶液由原来的淡黄色变为酒红色，停止加热，溶液继续搅拌直至溶液温度达到室温。我们所得到的溶液就为金纳米颗粒，直径尺寸约为16nm。

2、硫辛酸功能化的金纳米颗粒（TA- GNPs）的制备：

将前面制备的金纳米颗粒溶液取40~50ml，在搅拌的条件下加入0.5M新配制的氢氧化钠溶液调节其pH值至11。常温下，配制12~15mM的硫辛酸乙醇溶液，取硫辛酸溶液4~5mL，缓慢加入pH值为11的金纳米颗粒溶液中，将混合溶液持续搅拌12~18小时使其充分反应，反应完毕后，使溶液在9000转条件下离心15分钟，弃去上清液重新分散，最后得到由硫辛酸修饰的金纳米颗粒（TA- GNPs）。为了考察硫辛酸修饰的金纳米颗粒对Hg²⁺的检测效果，将上述制备好的硫辛酸修饰的金纳米颗粒用0.5M的HCl调节pH分别到5-9，以调节好pH的硫辛酸修饰的金纳米颗粒作为检测Hg²⁺的检测探针。

二、检测汞离子（Hg²⁺）

1、检测灵敏度

使用硫辛酸功能化的金纳米颗粒（TA-GNPs）作为检测比色探针检测Hg²⁺时，选用pH值在5-9范围内的样品作为探针，将比色探针硫辛酸功能化的金纳米颗粒稀释1～5倍，然后加入等量的待测的生物组织或环境污水样品中，观察其颜色变化，当有Hg²⁺存在时，硫辛酸功能化的金纳米颗粒会由原来的红色变为紫色或者灰色，同时进行紫外光谱测试，从紫外光谱中观察金纳米颗粒的表面等离子特征吸收，金纳米颗粒的特征吸收在520nm处有一个峰，当硫辛酸功能化的金纳米颗粒溶液中存在Hg²⁺时，溶液的特征吸收峰会发生红移，而且，当溶液存在Hg²⁺浓度很大时，金纳米颗粒发生了团聚，会出现二个吸收峰，即聚集的金颗粒表面等离子体共振引起的纵向和横向吸收，而此时，溶液的颜色为紫色或灰色。配制1nM-20μM的Hg²⁺溶液，进行检测灵敏度的反应，硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为检测探针的吸收峰与Hg²⁺的浓度有良好的线性关系。因此，硫辛酸功能化的金纳米颗粒可以作为检测汞离子的比色探针快速并定量地检测水溶液中汞离子的存在，对汞离子的检测限可达到10 nM。

2、选择性

使用硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为比色探针检测Hg²⁺，需要考察其对Hg²⁺的选择性。相同条件下，分别配制50μM的Pb²⁺, Cu²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Co²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺,Cr³⁺,Cd²⁺和 Ba²⁺作为其它离子溶液，用所制备的TA-AuNPs来检测这些离子溶液，比色探针对Hg²⁺具有非常好的选择性，相同条件下，检测Hg²⁺的浓度比Pb²⁺, Mg²⁺, Zn²⁺, Ni²⁺, Cu²⁺, Co²⁺, Ca²⁺, Mn²⁺, Fe²⁺, Mg²⁺, Cr³⁺, Cd²⁺和 Ba²⁺离子的浓度低100～1000倍，说明具有高的选择性。通过对环境中水样的检测实验表明，因此，硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为比色探针可应用于在生物组织和环境污水中汞离子的实时原位检测。

本发明具有如下优点：

1、本发明提供的比色检测探针灵敏度高、选择性好，检测限低。

2、不需要大型仪器，通过裸眼观察或比色光谱，即可识别检测结果。

3、本发明易制备和保存；在4°C条件下可保存8～15个月不发生变化。

4、本发明所用试剂和操作过程均无毒副作用。

5、本发明方法简单、快速、易操作，可进行现场原位快速检测。

附图说明

附图1为比色探针检测汞离子的紫外−可见吸收光谱及比色对比照片；

附图2为比色探针检测不同浓度的汞离子后的吸收光谱的吸收比率（在700nm处的紫外吸收与520nm处紫外吸收的比）与汞离子初始浓度(1nM-20μM)的线性关系。

具体实施方式

实施例1：

使用硫辛酸功能化的金纳米颗粒（TA-GNPs）作为检测比色探针检测Hg²⁺时，选用pH值在5范围内的样品作为探针，将比色探针硫辛酸功能化的金纳米颗粒稀释4倍，然后加入等量的待测的生物组织或环境污水样品中，观察其颜色变化，当有Hg²⁺存在时，硫辛酸功能化的金纳米颗粒会由原来的红色变为紫色或者灰色，同时进行紫外光谱测试，从紫外光谱中观察金纳米颗粒的表面等离子特征吸收，当溶液中存在Hg²⁺时，溶液的特征吸收峰会发生红移，而且，当溶液存在Hg²⁺浓度很大时，金纳米颗粒发生了团聚，会出现二个吸收峰，溶液的颜色会变为紫色或灰色。硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为检测探针的吸收峰与Hg²⁺的浓度有良好的线性关系，以此来判断待测样品是否有Hg²⁺的存在。

实施例2：

使用硫辛酸功能化的金纳米颗粒（TA-GNPs）作为检测比色探针检测Hg²⁺时，选用pH值在7范围内的样品作为探针，将比色探针硫辛酸功能化的金纳米颗粒稀释3倍，然后加入等量的待测的生物组织或环境污水样品中，观察其颜色变化，当有Hg²⁺存在时，硫辛酸功能化的金纳米颗粒会由原来的红色变为紫色或者灰色，同时进行紫外光谱测试，从紫外光谱中观察金纳米颗粒的表面等离子特征吸收，金纳米颗粒的特征吸收在520nm处有一个峰，当溶液中存在Hg²⁺时，溶液的特征吸收峰会发生红移，而且，当溶液存在Hg²⁺浓度很大时，金纳米颗粒发生了团聚，会出现二个吸收峰，而此时，溶液的颜色为紫色或灰色。硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为检测探针的吸收峰与Hg²⁺的浓度有良好的线性关系。因此，硫辛酸功能化的金纳米颗粒可以作为检测汞离子的比色探针快速并定量地检测水溶液中汞离子的存在，对汞离子的检测限可达到10 nM。

Claims

1.一种汞离子比色检测探针应用方法，其特征是使用硫辛酸功能化的金纳米颗粒TA-GNPs作为检测比色探针检测Hg²⁺，选用pH值在5-9范围内的硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为比色探针，将比色探针硫辛酸功能化的金纳米颗粒稀释1～5倍，然后加入等量的待测的生物组织或环境污水样品中，观察其颜色变化，当有Hg²⁺存在时，硫辛酸功能化的金纳米颗粒会由原来的红色变为紫色或者灰色，同时进行紫外光谱测试，从紫外光谱中观察金纳米颗粒的表面等离子特征吸收，金纳米颗粒的特征吸收在520nm处有一个峰，当有Hg²⁺存在时，溶液的特征吸收峰会发生红移，而且，当溶液存在Hg²⁺浓度很大时，金纳米颗粒发生了团聚，会出现二个吸收峰，即聚集的金颗粒表面等离子体共振引起的纵向和横向吸收，而此时，溶液的颜色为紫色或灰色，配制1nM-20μM的Hg²⁺溶液，进行检测灵敏度的反应，硫辛酸功能化的金纳米颗粒作为检测探针的两个吸收峰之比与Hg²⁺的浓度有良好的线性关系。