CN104597035A - 一种利用sers技术检测钾离子的方法 - Google Patents

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Abstract

一种利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术检测钾离子的方法，属于钾离子检测技术领域。首先制备具有光谱增强能力的SERS基底，接着在SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂，然后将待测的钾离子溶液滴在上述基底表面，利用拉曼光谱仪检测反应产物的SERS光谱，最后通过与工作曲线的对比得到被测溶液的钾离子浓度。本发明所述的方法具有检测条件温和、简便，检测过程快速，检测结果准确的特点，在钾离子检测领域具有重要应用，可以实现对钾离子的定量分析。

Description

一种利用SERS技术检测钾离子的方法
技术领域
本发明属于钾离子检测技术领域，具体涉及一种利用表面增强拉曼光谱(SERS)技术检测钾离子的方法。
背景技术
钾离子(K+)是一种重要的生理元素，与Na+共同作用，在维持细胞新陈代谢、调节体液渗透压、维持酸碱平衡及保持细胞应激功能等方面发挥着极其重要的作用。目前，钾离子的检测主要采用离子交换色谱法和火焰光度法。这些方法准确，适用于大多数检测体系，但存在的问题是对仪器、实验室以及操作人员的水平有很高的要求，检测也十分耗时。因此，发展一种通用的、简易的、快速的钾离子检测方法，在快检、现场和普通民用等方面具有巨大的需求。
作为一种近十年来快速发展的分析检测手段，SERS相对于其它方法的明显优势主要体现在检测条件温和、简便、快速，可以方便的用于水溶液体系。同时，SERS还具有超高的检测灵敏度，其增强因子最高可以达到1014～1015，可以实现单分子检测。在选择性方面，SERS可以在极其复杂的体系中仅仅增强表面的目标分子或基团，因此具有很高的选择性。
在早期的化学分析发展过程中，利用钾离子在中性或者弱酸性条件下与亚硝酸钴钠或四苯硼钠反应生成黄色沉淀或白色沉淀是一个通用的定性分析方法。这个反应的化学反应方程式如下：
2K++Na++[Co(NO2)]3-→K2Na[Co(NO2)6]↓
K++[B(C6H5)4]-→K[B(C6H5)4]↓
这种方法可以定性的知道钾离子的存在与否，但是没有办法做到定量分析。本发明通过在SERS基底表面进行上述反应，并测得产物SERS光谱的方法，成功的发展了一种新的关于钾离子的定量分析方法，具有检测条件温和、简便，检测过程快速，检测结果准确的特点，在钾离子检测领域具有重要的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种新型的检测钾离子的方法，使得钾离子的检测条件更为温和、简便，检测过程更为快速，检测结果更为准确。为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种利用SERS技术检测钾离子的方法，首先制备具有光谱增强能力的SERS基底，其次在SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂，然后将待测的钾离子溶液滴在上述基底表面，利用拉曼光谱仪检测反应产物的SERS光谱，最后通过与工作曲线的对比得到被测溶液的钾离子浓度。
本发明所用的SERS基底为纳米结构的金或银膜覆盖的基底，制备方法是将金或银溶胶通过化学偶联剂吸附到经过预处理的载玻片或硅片表面，或利用物理方法如蒸镀、溅射等方法制备金或银的纳米结构薄膜。
金溶胶制备方法如下：99mL去离子水中加入1mL HAuCl4(1％质量分数)，沸腾后加入1.8mL柠檬酸钠水溶液(1％质量分数)，保持沸腾状态15分钟，得到的金溶胶，其金纳米粒子的最大吸收在519nm，浓度为2.43×10-4mol/L，粒子平均直径为20nm。
银溶胶的制备方法如下：200mL去离子水中加入0.036g硝酸银，加热至微沸，之后加入4mL柠檬酸钠水溶液(1％质量分数)，保持温度在85～90℃之间40分钟，得到银溶胶，其银纳米粒子的最大吸收在415nm，浓度为1.0mmol/L，粒子平均直径为40nm。
载玻片或硅片的预处理方法为将载玻片或硅片依次在去离子水、乙醇、丙酮、氯仿、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗2～10分钟，然后将清洗的载玻片或硅片浸入到双氧水和浓硫酸的混合溶液中(双氧水与浓硫酸的体积比为3:7)，加热至无气泡产生，自然冷却后取出载玻片或硅片，用去离子水反复冲洗，氮气吹干备用。
将经过预处理的载玻片或硅片浸入到0.5～2.0％质量分数的聚二烯丙基二甲基氯化铵(PDDA，即化学偶联剂分子)水溶液中20～30分钟，用去离子水清洗并用氮气吹干，之后浸入到金溶胶或银溶胶中10～15小时，金或银溶胶粒子通过化学吸附的方式沉积到载玻片或硅片表面，最后用去离子水清洗并用氮气吹干，得到具有光谱增强能力的SERS基底。
本发明所述的在SERS基底上吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂的实验操作相同，方法为将亚硝酸钴钠或四苯硼钠以物理吸附的方式沉积到SERS基底表面，具体是将前面得到的具有光谱增强能力的SERS基底浸入到亚硝酸钴钠或四苯基硼钠的水溶液中10～20分钟，取出并自然晾干，从而在SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂。
本发明所用的亚硝酸钴钠是在pH为4.5～5.0条件下制备的，制备方法如下：在加热下溶解5g六水合氯化钴(分析纯)于5mL去离子水中，同样在加热下溶解15g亚硝酸钠(分析纯)于50mL去离子水中；冷却后将两溶液混合，在不断搅拌下向此溶液中加入5mL的50％质量分数的乙酸水溶液；静置后过滤除去沉淀，滤液即是亚硝酸钴钠的制成品，保存时间可达三个月。
本发明所用的四苯硼钠(分析纯)为浓度0.1mmol/L的四苯硼钠的水溶液，用0.1mmol/L的NaOH调节pH至弱酸性或中性(pH＝6.0～7.0)。
本发明中所述的将待测的钾离子溶液滴在上述基底表面，具体是将3～8μL的待测钾离子溶液滴在表面吸附有亚硝酸钴钠或四苯硼钠的SERS基底的表面，自然晾干。
本发明中所述的利用拉曼光谱仪检测反应产物的SERS光谱，方法为使用市场上任何型号的拉曼光谱仪采集基底表面物质的SERS光谱。
本发明中所述的与工作曲线的比对方法如下：将待测样品的SERS光谱强度与工作曲线对比，并利用公式计算得到待测样品的钾离子浓度。待测样品和工作曲线均使用820.5cm-1处的谱峰作为亚硝酸钴钠法的定量峰，使用950cm-1处的谱峰作为四苯基硼钠法的定量峰。所使用的公式为：C待＝k×I待+b。其中，C待为待测样品的钾离子浓度，I待为待测样品的SERS光谱强度，k和b为常数(通过工作曲线确定)。
本发明中所提的工作曲线的获得方式为：对于使用亚硝酸钴钠的方法，分别使用0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mmol/L的已知浓度的氯化钾(分析纯)溶液作为标样，滴加5μL于表面吸附有亚硝酸钴钠的SERS基底表面，自然晾干。检测反应产物的SERS光谱，选取820.5cm-1处的谱峰作为定量峰，并以钾离子浓度对该峰光谱强度作图，线性拟合，得到公式C待＝0.00151×I待－0.235，并依此绘制工作曲线。检测的钾离子的浓度为0.1～10.0mmol/L，优化实验条件后可继续拓展适用的浓度区间到微摩或纳摩级别。
对于使用四苯硼钠的方法，分别使用5、10、20、30、40、50mmol/L的已知浓度的氯化钾(分析纯)溶液作为标样，滴加5μL于表面吸附有四苯硼钠的SERS基底表面，自然晾干。检测反应产物的SERS光谱，选取950cm-1处的谱峰作为定量峰，并以钾离子浓度对该峰光谱强度作图，线性拟合，得到公式C待＝0.00444×I待－1.09，并依此绘制工作曲线。检测的钾离子的浓度为5.0～50.0mmol/L，优化实验条件后可继续拓展适用的浓度区间到微摩或纳摩级别。
本发明提供了一种新型的检测钾离子的方法，使得钾离子的检测条件更为温和、简便、快速和准确。制备的吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠的SERS基底可以长期保存，检测只需两步，5分钟即可完成，检测结果具有很高的灵敏度和准确度，相关系数在0.95以上，可以广泛的应用于钾离子的检测。
附图说明
图1：表面吸附亚硝酸钴钠的SERS基底的光谱(底物信号)以及与被测钾离子反应后形成的产物的光谱图(产物信号)。其中，产物为亚硝酸钴钠二钾。谱峰位置发生了变化表明发生了化学反应，选取820.5cm-1处的谱峰作为定量峰。
图2：表面吸附四苯硼钠的SERS基底的光谱(底物信号)与被测钾离子反应后形成的产物的光谱图(产物信号)。其中，产物为四苯基硼钾。谱峰发生了变化表明发生了化学反应，选取950cm-1处的谱峰作为定量峰。
图3：本发明方法测定钾离子浓度的工作曲线。
具体实施方式
下面根据附图，给出本发明优选的实施例，并予以详细描述，使之能更好地理解本发明的功能、特点。
实验仪器：所用仪器为英国雷尼绍公司的Renishaw 1000型共聚焦显微拉曼光谱仪，激发光源是空气制冷的氩离子激光器(Spectra-Physics Model163-C4260)。
实施例1
载玻片的预处理方法为将载玻片依次在去离子水、乙醇、丙酮、氯仿、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗5分钟，然后将清洗的载玻片浸入到双氧水和浓硫酸的混合溶液中(双氧水与浓硫酸的体积比为3:7)，加热至无气泡产生，自然冷却后取出载玻片，用去离子水反复冲洗，氮气吹干备用。
将经过预处理的载玻片浸入0.5％质量分数的PDDA水溶液中30分钟，用去离子水清洗三次并用氮气吹干，之后浸入到制备好的金溶胶中10小时，金溶胶粒子通过化学吸附的方式沉积到载玻片表面，最后用去离子水清洗三次并用氮气吹干，得到SERS基底。
将SERS基底浸泡在20mmol/L的亚硝酸钴钠溶液中10分钟，取出并自然晾干(底物亚硝酸钴钠的SERS光谱见图1)。分别将5μL的钾离子浓度为0.1、0.5、1.0、3.0、5.0、7.0、10.0mmol/L的氯化钾溶液滴在SERS基底上，室温静置2分钟，在514nm激发线下检测SERS光谱(产物亚硝酸钴钠二钾的SERS光谱见图1)。
钾离子浓度在0.1～10.0mmol/L浓度范围内与SERS光谱强度呈正比，选取820.5cm-1处的谱峰作为定量峰，基于此线性关系绘制工作曲线(如图3)：C待＝0.00151×I待－0.235。
可以通过测试未知浓度溶液的SERS光谱，并与工作曲线对比，得到未知溶液的钾离子浓度。本实例分别测试了0.4和0.9mmol/L的标准溶液，通过SERS光谱测试和与工作曲线的比对，得到的验证结果分别为0.392和0.915mmol/L，检测结果的最大误差为2％，说明本发明能够定量检测不同浓度的钾离子(浓度区间为0.1-10.0mmol/L)。
实施例2
载玻片的预处理方法为将载玻片依次在去离子水、乙醇、丙酮、氯仿、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗5分钟，然后将清洗的载玻片浸入到双氧水和浓硫酸的混合溶液中(双氧水与浓硫酸的体积比为3:7)，加热至无气泡产生，自然冷却后取出载玻片，用去离子水反复冲洗，氮气吹干备用。
将经过预处理的载玻片浸入0.5％质量分数的PDDA水溶液中30分钟，用去离子水清洗三次并用氮气吹干，之后浸入到制备好的银溶胶中15小时，银溶胶粒子通过化学吸附的方式沉积到载玻片表面，最后用去离子水清洗三次并用氮气吹干，得到SERS基底。
将SERS基底浸泡在200mmol/L四苯硼钠溶液中10分钟，取出并自然晾干(底物四苯硼钠的SERS光谱见图2)。分别将5μL钾离子的浓度为5.0、10.0、20.0、30.0、40.0、50.0mmol/L的氯化钾溶液滴在SERS基底上，室温静置4分钟，在514nm激发线下检测SERS光谱(产物四苯基硼钾的SERS光谱见图2)
钾离子浓度在5.0～50.0mmol/L浓度范围内与SERS光谱强度呈正比，选取950cm-1处的谱峰作为定量峰，基于此线性关系绘制工作曲线(如图3)：C待＝0.00444×I待－1.09。
可以通过测试未知浓度溶液的SERS光谱，并与工作曲线对比，得到未知溶液的钾离子浓度。本实例分别测试了17和45mmol/L的标准溶液，通过SERS光谱测试和与工作曲线的比对，得到的验证结果分别为16.5和47.4mmol/L，检测结果的最大误差为3％，说明本发明能够定量检测不同浓度的钾离子(浓度区间为5.0-50.0mmol/L)。
实施例3
实施方法与实施例1相同，仅把金溶胶改成银溶胶，同样可以实现对钾离子的定量检测。
实施例4
实施方法与实施例2相同，仅把银溶胶改成金溶胶，同样可以实现对钾离子的定量检测。
实施例5
实施方法与实施例1相同，仅把用化学吸附方式制备SERS基底改成用物理方法制备SERS基底。具体方式为将载玻片装入热蒸镀镀膜机的样品仓，使用金靶作为蒸镀源，利用真空沉积法蒸镀金，在5×10-4Pa的真空度下，设置仪器参数固定蒸镀膜厚度为15nm，蒸镀时间为30分钟。蒸镀完成后直接取出使用。
实施例6
实施方法与实施例2相同，仅把用化学吸附方式制备SERS基底改成用物理方法制备SERS基底。具体方式为将载玻片装入热蒸镀镀膜机的样品仓，使用银靶作为蒸镀源，利用真空沉积法蒸镀银，在5×10-4Pa的真空度下，设置仪器参数固定蒸镀膜厚度为40nm，蒸镀时间为40分钟。蒸镀完成后直接取出使用。

Claims (9)

1.一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：首先制备具有光谱增强能力的SERS基底，其次在该SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂，然后将待测的钾离子溶液滴在上述SERS基底表面，检测反应产物的SERS光谱，最后通过与工作曲线的对比得到被测溶液的钾离子浓度。
2.如权利要求1所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：具有光谱增强能力的SERS基底为纳米结构的金或银膜覆盖的基底，该基底是将金或银溶胶通过化学偶联剂吸附到经过预处理的载玻片或硅片表面制备得到，或利用物理方法在经过预处理的载玻片或硅片表面制备金或银的纳米结构薄膜。
3.如权利要求2所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：载玻片或硅片的预处理方法为将载玻片或硅片依次在去离子水、乙醇、丙酮、氯仿、丙酮、乙醇、去离子水中各超声清洗2～10分钟，然后将清洗的载玻片或硅片浸入到体积比为3:7的双氧水和浓硫酸的混合溶液中，加热至无气泡产生，自然冷却后取出载玻片或硅片，用去离子水反复冲洗，氮气吹干。
4.如权利要求2所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：将经过预处理的载玻片或硅片浸入到0.5～2.0％质量分数的聚二烯丙基二甲基氯化铵水溶液中20～30分钟，然后用去离子水清洗并用氮气吹干，之后浸入到金或银溶胶中10～15小时，金或银溶胶粒子通过化学吸附的方式沉积到载玻片或硅片表面，最后用去离子水清洗并用氮气吹干，得到具有光谱增强能力的SERS基底。
5.如权利要求2所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：物理方法为蒸镀或溅射。
6.如权利要求1所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：在SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂的方法相同，是将具有光谱增强能力的SERS基底浸入到亚硝酸钴钠或四苯基硼钠的水溶液中10～20分钟，取出并自然晾干，从而在SERS基底上分别吸附亚硝酸钴钠或四苯硼钠试剂。
7.如权利要求1所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：在SERS基底上吸附亚硝酸钴钠的工作曲线的获得是分别使用0、0.1、0.3、0.5、0.7、0.9、1.0mmol/L已知浓度的氯化钾溶液作为标样，滴加5μL于表面吸附有亚硝酸钴钠的SERS基底表面，自然晾干；然后检测反应产物的SERS光谱，选取820.5cm-1处的谱峰作为定量峰，并以钾离子浓度对该峰光谱强度作图，线性拟合，得到公式C待＝0.00151×I待－0.235，并依此绘制工作曲线。
8.如权利要求1所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：在SERS基底上吸附四苯硼钠的工作曲线的获得是分别使用5、10、20、30、40、50mmol/L已知浓度的氯化钾溶液作为标样，滴加5μL于表面吸附有四苯硼钠的SERS基底表面，自然晾干；检测反应产物的SERS光谱，选取950cm-1处的谱峰作为定量峰，并以钾离子浓度对该峰光谱强度作图，线性拟合，得到公式C待＝0.00444×I待－1.09，并依此绘制工作曲线。
9.如权利要求7或8所述的一种利用SERS技术检测钾离子的方法，其特征在于：是将待测样品定量峰的SERS光谱强度与工作曲线对比，利用权利要求7或权利要求8所述的工作曲线公式计算得到待测样品的钾离子浓度。
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