CN105021604A - 一种重金属元素含量的快速成像化检测方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明一种重金属元素含量的快速成像化检测方法和装置，涉及重金属含量的检测技术领域。本发明利用卟啉或酞菁类试剂与样本反应后的响应信号，通过分析显色剂颜色的变化检测样本中重金属元素的含量，并实现现场重金属元素含量的成像化检测方法和装置。显色剂成像化技术是根据显色剂与待测样品接触后，显色剂与待测样品中的目标离子形成稳定的配合物体系，导致显色剂颜色的变化来定量定性分析样品中的目标物。本发明提供一种利用显色剂成像化技术快速检测样品中重金属含量的方法，可以实现重金属含量的快速直观预测，这能够为工农业生产提供指导。

Description

一种重金属元素含量的快速成像化检测方法和装置
技术领域
本发明涉及重金属含量的检测技术领域，尤其涉及一种显色剂成像化技术的重金属含量检测方法。
背景技术
重金属是指密度大于5g/cm3的金属元素。重金属污染指由重金属或其化合物造成的环境污染。重金属元素在人体内的含量超过一定量时都会引起人体中毒甚至死亡。近年来，随着采矿、冶炼、加工业的发展以及废水、废气、废渣等的排放量增多，造成了汞、铅、镉、钴等重金属元素进入大气、水、土壤中，引起了严重的环境污染。重金属离子进入环境或生态系统后又会存留、积累和迁移而造成危害。
目前常用的检测重金属含量的方法主要有：原子荧光光度法，高效液相色谱法，免疫分析法和生物传感器法。这些方法均能够准确检测出样品中的重金属含量，但是各具有一些不足之处。原子荧光光度法线性范围较宽，选择性差，目前只能应用于砷、锑、秘、硒、磅、锗、锡、铅；高效液相色谱法对配体要求严格，给检测带来了局限性；免疫分析法的局限性在于金属离子单克隆抗体的制备非常困难；生物传感器法的检测必须在纯净的溶液里进行，很难用于实际样品的检测。
卟啉类试剂是一种高灵敏显色剂，其大环结构中由四个氮原子构成了有一定空间位置和一定配位能力的配位环境。该配位环境几何构型严密，凡是大小和几何构型合适的金属离子均可与氮原子配位，形成稳定的络合物。酞菁是由四个异吲哚单元组成的平面大环共轭体系，与卟啉一样，酞菁因为其特有的18电子共轭大环体系，其中心的空穴可以与多种金属相配位。卟啉、酞菁分子都具有以下几个特点：(1) 具有特殊的二维共轭π-电子结构。(2) 对光、热具有较高的稳定性。(3) 分子结构具有多样性，易裁剪性。分子可以衍生出多种多样的取代配体，可以依据合成目标对配体进行设计、裁剪和组装。(4) 配位能力很强，它几乎可以和元素周期表中所有的金属元素发生配位，形成配合物。卟啉和酞菁分子易于重金属离子发生配位，分子结构发生变化，同时颜色也会发生变化这一特定，而且这个变化在短时间内即可发生，形成的新的分子结构稳定，通过显色剂颜色的变化直观的定性定量检测痕量重金属，因此可以实现痕量重金属的快速成像化检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种重金属离子的快速检测方法。
为了解决以上技术问题，本发明利用卟啉或酞菁类试剂与样本反应后的响应信号，通过分析显色剂颜色的变化检测样本中重金属元素的含量，并实现现场重金属元素含量的成像化检测方法和装置，采用的具体技术方案如下：
一种重金属离子的快速成像化鉴别方法，按照下述步骤进行：
（1）显色剂空白标准图谱的建立：显色剂溶液配制参考常规方法，用溶剂溶解显色剂，配制成1~10mmol/L的显色剂溶液；取1~5mL每种显色剂分别由进样口1加入至反应池2中，由相机3获取每种显色剂空白标准图谱，实验过程中保持LED光源4常亮；
（2）标准浓度重金属离子指纹图谱的获取：配置浓度梯度某种重金属离子的标准溶液，取1~5mL不同浓度的重金属离子标准溶液，分别由进样口1加入至反应池2中，得到不同浓度的重金属离子-显色剂配合物体系溶液，稳定2~10min后，每种浓度的重金属离子-显色剂配合物体系都会产生特定的颜色，由相机3获取各浓度重金属离子-显色剂配合物溶液的指纹图谱，并提取每种重金属离子不同浓度指纹图谱的数据信号建立对应的模型。
（3）重金属预测模型的建立：将不同种类和浓度的重金属离子对应的指纹图谱数据信号作为输入变量X i，重金属种类作为输出值Y，得到重金属种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)；重金属的浓度作为输出值Z，得到重金属残留浓度的定量模型Z 定量=G(X i)。
（4）样品中重金属残留的检测：取1~5mL液体样本，由进样口1加入反应池2中，反应2~10min后，由相机3获取样品图谱，样品中重金属含量的结果分析包括两个过程：（a）定性检测结果，将待测样品液的指纹图谱数据信号入步骤（2）建立的重金属种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)中，判断样品中重金属残留的种类。从而实现待测样品中重金属残留的有无识别以及重金属残留种类的识别；（b）定量检测结果，确定重金属离子的种类后待测样品图谱数据信号代入步骤（2）建立的该种重金属残留浓度的定量模型Z 定量=G(X i)，预测样品中该种重金属的残留浓度。从而实现待测样品中重金属残留的定量检测。
其中步骤（2）所述某种重金属离子可以是一种也可以是多种重金属离子。
本发明具有有益效果。显色剂成像化技术是根据显色剂与待测样品接触后，显色剂与待测样品中的目标离子形成稳定的配合物体系，导致显色剂颜色的变化来定量定性分析样品中的目标物。本发明提供一种利用显色剂成像化技术快速检测样品中重金属含量的方法，可以实现重金属含量的快速直观预测，这能够为工农业生产提供指导。
附图说明
图1为本发明的装置图，其中1为进样口，2为反应池，3为相机，4为LED光源，5为箱体。
具体实施方式
以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
以预测自来水中重金属含量为例，详细阐述本发明的具体实施方式。
所述一种重金属离子的快速成像化鉴别方法包含4个步骤：
步骤（1）显色剂空白标准图谱的建立：显色剂溶液配制参考文献Rakow, N., & Suslick, K.. A colorimetric sensor array for odour visualization. Nature, 2000, 406(6797), 710-713.公开的方法。选用8种卟啉类、金属卟啉和酞菁显色剂：5,10,15,20- Tetraphenyl- 21H,23H- porphine manganese (III) chloride、Zinc 2,3,9,10,16,17,23,24- octakis (octyloxy)- 29H,31H- phthalocyanine、5,10,15,20- Tetrakis (4-sulfonatophenyl)- 21H,23H-porphine manganese (III) chloride、5,10,15,20- Tetraphenyl- 21H,23H- porphine、5,10,15,20- Tetrakis (4-hydroxyphenyl)- 21H,23H- porphine、5,10,15,20- Tetrakis (4-methoxyphenyl)- 21H,23H- porphine iron、chloride、Zinc 29H,31H-tetrabenzo [b,g,l,q] porphine、Zinc 5,10,15,20-tetra(4-pyridyl)-21H, 23H-porphine tetrakis (methochloride)，配制成1~10mmol/L的显色剂溶液。取2mL每种显色剂分别由进样口1加入至反应池2中，由相机3获取每种显色剂空白标准图谱，实验过程中保持LED光源4常亮。
步骤（2）标准浓度重金属离子指纹图谱的获取：分别配置Hg2+、Pb2+、Cd2+、Ag2+、Cu2+、Cr6+浓度为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10μg/ mL的标准溶液，分别取2mL不同浓度的 Hg2+标准溶液，分别由进样口1加入至反应池2中，得到不同浓度的Hg2+-显色剂配合物体系溶液，稳定2~10min后，Hg2+-显色剂配合物体系都会产生特定的颜色，由相机3获取各浓度下Hg2+-显色剂配合物溶液的指纹图谱，并提取Hg2+不同浓度指纹图谱的数据信号建立对应的模型。同样的方法以此获取Pb2+、Cd2+、Ag2+、Cu2+、Cr6+的标准浓度指纹图谱。
步骤（3）重金属预测模型的建立：将不同种类和浓度的重金属离子对应的指纹图谱数据信号作为输入变量X i，重金属残留的种类作为输出值Y，得到重金属残留种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)，Y 定性值为0时代表样品中不含有重金属，Y 定性值为1时代表重金属种类为Hg2+，Y 定性值为2时代表重金属种类为Pb2+，Y 定性值为3时代表重金属种类为Cd2+，Y 定性值为4时代表重金属种类为Ag2+，Y 定性值为5时代表重金属种类为Cu2+，Y 定性值为6时代表重金属种类为Cr6+；重金属残留的浓度作为输出值Z，得到重金属残留浓度的定量模型Z 定量=G(X i)。
步骤（4）样品中重金属残留的检测：取2mL自来水样本，由进样口1加入反应池2中，反应2~10min后，由相机3获取样品图谱，自来水样品中重金属含量的结果分析包括两个过程：
过程（1）定性检测结果，将自来水样品的指纹图谱数据信息代入步骤（2）建立的重金属残留种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)中，判断样品中重金属残留的种类，模型输出结果显示Y 定性=2,6，表明自来水样本中含有Pb2+和Cr6+两种重金属离子。从而实现自来水样品中重金属离子种类的识别。
过程（2）定量检测结果，自来水样品指纹图谱分别与代入步骤（2）建立的Cr6+、Pb2+浓度的定量模型Z 定量=G(X i)中进行分析，结果显示Z Pb2+=3.1~5.9μg/mL， Z Cr6+=2.4~4.7μg/mL，表明自来水中含有Pb2+3.1~5.9μg/mL、Cr6+2.4~4.7μg/mL。从而实现自来水样品中重金属含量的定量预测。

Claims (2)

1.一种检测微痕量农药的成像化检测方法，其特征在于按照下述步骤进行：
一种重金属离子的快速成像化鉴别方法，按照下述步骤进行：
（1）显色剂空白标准图谱的建立：显色剂溶液配制参考常规方法，用溶剂溶解显色剂，配制成1~10mmol/L的显色剂溶液；取1~5mL每种显色剂分别由进样口1加入至反应池2中，由相机3获取每种显色剂空白标准图谱，实验过程中保持LED光源4常亮；
（2）标准浓度重金属离子指纹图谱的获取：配置浓度梯度某种重金属离子的标准溶液，取1~5mL不同浓度的重金属离子标准溶液，分别由进样口1加入至反应池2中，得到不同浓度的重金属离子-显色剂配合物体系溶液，稳定2~10min后，每种浓度的重金属离子-显色剂配合物体系都会产生特定的颜色，由相机3获取各浓度重金属离子-显色剂配合物溶液的指纹图谱，并提取每种重金属离子不同浓度指纹图谱的数据信号建立对应的模型；
（3）重金属预测模型的建立：将不同种类和浓度的重金属离子对应的指纹图谱数据信号作为输入变量X i，重金属种类作为输出值Y，得到重金属种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)；重金属的浓度作为输出值Z，得到重金属残留浓度的定量模型Z 定量=G(X i)；
（4）样品中重金属残留的检测：取1~5mL液体样本，由进样口1加入反应池2中，反应2~10min后，由相机3获取样品图谱，样品中重金属含量的结果分析包括两个过程：（a）定性检测结果，将待测样品液的指纹图谱数据信号入步骤（2）建立的重金属种类的定性预测模型Y 定性=F(X i)中，判断样品中重金属残留的种类；从而实现待测样品中重金属残留的有无识别以及重金属残留种类的识别；（b）定量检测结果，确定重金属离子的种类后待测样品图谱数据信号代入步骤（2）建立的该种重金属残留浓度的定量模型Z 定量=G(X i)，预测样品中该种重金属的残留浓度；从而实现待测样品中重金属残留的定量检测。
2.根据权利要求1所述的一种检测微痕量农药的成像化检测方法，其特征在于其中步骤（2）所述某种重金属离子可以是一种也可以是多种重金属离子。
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