CN105067601A - 一种基于纳米金的功能化试纸膜及用于检测铁离子的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纳米金的功能化试纸膜及用于检测铁离子浓度的方法，该试纸膜基底膜上覆有纳米二氧化钛涂层，该涂层上附着有通过巯基和氨基固定的纳米金。本发明还提供一种使用所述的基于纳米金试纸膜检测水中铁离子的方法，本发明的检测方法，无需对待测样品进行前期处理，也不需要使用大型仪器，具有检测速度快，同时还具有绿色环保等优点。无需对检测样进行前处理，直接对Fe³⁺进行快速检测；对Fe³⁺检测专一性，排除其他重金属离子的干扰，实现对低浓度Fe³⁺的检测，保证极高的灵敏度。

Description

一种基于纳米金的功能化试纸膜及用于检测铁离子的方法

技术领域

本发明属于离子检测技术领域，具体涉及一种基于纳米金的功能化试纸膜及用于检测铁离子的方法。

背景技术

铁元素对人和动物毒性很小，但水体中铁化合物浓度为0.1～0.3毫克/升时（2 ~ 6μM），会影响水的色、嗅、味等。一些特殊工业对水中含铁量要求较高，如纺织、造纸、酿造和食品工业等。中国规定生活饮用水的铁含量最高容许浓度为0.3毫克/升（6μM）。血液中Fe³⁺过量会引起氧化应激反应，产生很多自由基，破坏生物膜、磷脂结构，对DNA和遗传物质也会造成损害。

Fe³⁺的检测在环境监测和医学监测方面有着极其重要的作用。目前检测Fe³⁺的方法主要有原子吸收法、X荧光法光谱法、电感耦合等离子光谱和质谱法联用。这些传统的方法需要大型且昂贵的设备和专业的操作人员，样品前处理时间长，操作复杂，且检测成本高。难以实现实时在线的快速、专一性检测。因此，如何解决对三价铁离子的预富集，以及快速检测水中三价铁离子的方法是本领域技术人员有待解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述不足，本发明的目的是提供一种基于纳米金的功能化试纸膜，并提供采用该基于纳米金的功能化试纸膜检测铁离子的方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种基于纳米金的功能化试纸膜，在基底膜上覆有纳米二氧化钛涂层，该涂层上附着有通过巯基和氨基固定的纳米金。所述的基底膜为普通滤纸、硝酸纤维素膜、醋酸纤维素膜、PVDF膜中的一种。

上述基于纳米金的功能化试纸膜的制备方法，包括以下步骤：

1）配制AuNps-BSA溶液：在50-70℃条件下，将1.5mg壳聚糖溶于50mL 质量分数为1%的乙酸的溶液中，加入2mL质量分数为1%的氯金酸溶液，在80-100℃条件下加热搅拌回流，当溶液由淡黄色变为深红色时停止加热，继续搅拌直至冷却到室温，形成纳米金溶液；将牛血清蛋白即BSA添加上述纳米金溶液并混合均匀，使溶液中BSA的浓度为3μM，形成AuNps-BSA溶液；

2）浸泡改性：将基底膜置于无水乙醇中浸泡2-4小时，取出后，再置于40-70℃条件下干燥5-10分钟；

3）接二氧化钛处理：将步骤2）处理后的基底膜浸泡在钛溶液中，放置于摇床上震荡30分钟，擦除基底膜表面的多余液体，使钛溶液在基底膜上分布均匀，在40-70℃下干燥5-10分钟；重复上述操作两次；所述钛溶液为体积比8~10:2~6:1的无水乙醇、钛酸丁酯、冰醋酸配成的混匀溶液；

4）水解：将步骤3）处理后的基底膜放入去离子水中，在100-150℃下水解2-5小时，取出该基底膜置于40-70℃下干燥5-10分钟，得到二氧化钛覆膜的试纸膜；

5）接巯基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为1%-5%的(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷，将步骤4）得到的试纸膜浸泡其中，并在80-120℃下反应20-40分钟；取出上述试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；

6）接氨基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为1%-5%的3-氨丙基三甲氧基硅烷，将步骤5）得到的试纸膜浸泡其中，置于80-120℃下反应20-40分钟；取出该试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；

7）制备基于纳米金的功能化试纸膜：将步骤6）中得到的试纸膜裁剪成条；将步骤1）制备的AuNps-BSA溶液均匀滴加到所述的试纸膜上，置于40-70℃下干燥5-10分钟；重复上述操作三次，以增加试纸条上吸附的AuNps-BSA的量并加深颜色；制得基于纳米金的功能化试纸膜。

一种检测水中铁离子的方法，包括以下步骤：

（1）取上述基于纳米金的功能化试纸膜于5 mL的离心试管中，依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；

（2）加入50μL待测溶液于上述离心试管中，定容到1 mL，在45-70℃下水浴10-20 分钟，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；试纸膜褪色则定性检测到铁离子。

如果要实验定量检测还应包括步骤（3）用扫描仪扫取步骤（2）中的试纸膜的图片，通过RGB分析得到G通道的改变值，带入标准曲线即可定量检测出待测溶液的铁离子浓度。

与现有的技术相比，本发明具有如下有益效果：

1、本发明基于纳米金的功能化试纸膜，采用基础材料获得，制备工艺容易控制。其中纳米金制作采用壳聚糖还原法，由于壳聚糖的空间位阻效应，使纳米金更加稳定，不易发生聚集现象；壳聚糖与基材膜发生结合，使纳米金更好的固定在膜材上；同时还具有绿色环保等优点。

2、检测水中铁离子的方法简单，无需对检测样进行前处理，直接对Fe³⁺进行快速检测，实现对Fe³⁺的可视化检测；对Fe³⁺检测专一性，排除其他重金属离子的干扰，实现对低浓度Fe³⁺的检测，保证气高的灵敏度。

3、本方法可以用于人血清中铁离子的快速检测，成本低廉，根据所检测的铁离子浓度不同，发生不同的颜色变，做到可视化检测，检测专一性好，避免其他离子干扰，检测限低，不需要大型仪器，样品不需要前处理，操作简单，稳定性好。

附图说明

图1-基于纳米金的功能化试纸膜实物图；

图2-本发明的基于纳米金的功能化试纸膜制备方法流程图；

图3-铁离子检测标准曲线；

图4-水溶液中不同浓度的铁离子检测效果图；

图5-本发明的抗离子干扰能力实验中不同离子的RGB变化值对比图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

一、 一种基于纳米金的功能化试纸膜 ：参见图1，该试纸膜在基底膜上覆有纳米二氧化钛涂层，该涂层上附着有通过巯基和氨基固定的纳米金。

其中，基底膜是普通滤纸、硝酸纤维素膜、醋酸纤维素膜和PVDF膜中的任一种均可。

二、上述 基于纳米金的功能化试纸膜 的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：

1、纳米金的合成（壳聚糖还原法）：

1）配制AuNps-BSA溶液：在70℃条件下，将1.5mg壳聚糖溶于50mL 质量分数为1%的乙酸的溶液中，加入2mL质量分数为1%的氯金酸溶液，在100℃条件下加热搅拌回流，当溶液由淡黄色变为深红色时停止加热，继续搅拌直至冷却到室温，形成纳米金溶液；

2）将牛血清蛋白即BSA添加上述纳米金溶液并混合均匀，使溶液中BSA的浓度为3μM，形成AuNps-BSA溶液；

2、基于纳米金的功能化试纸膜的制备：

1）浸泡改性：将基底膜置于无水乙醇中浸泡3小时，再置于60℃条件下干燥10分钟；

2）接二氧化钛处理：将步骤1）处理后的基底膜浸泡在钛溶液中，放置于摇床上震荡30分钟，擦除基底膜表面的多余液体，使钛溶液在基底膜上分布均匀，在60℃下干燥10分钟；重复上述操作两次；所述钛溶液为体积比10:3:1的无水乙醇、钛酸丁酯、冰醋酸配成的混匀溶液；

3）水解：将步骤2）处理后的基底膜放入去离子水中，在140℃下水解4小时，取出该基底膜置于60℃下干燥10分钟，得到二氧化钛覆膜的试纸膜；

4）接巯基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为3%的(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷，将步骤3）得到的试纸膜浸泡其中，并在100℃下反应30分钟；取出上述试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于60℃下干燥10分钟；此时巯基通过化学键作用连接到滤纸片上。

5）接氨基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为3%的3-氨丙基三甲氧基硅烷，将步骤4）得到的试纸膜浸泡其中，置于100℃下反应30分钟；取出该试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于60℃下干燥10分钟；

6）制备基于纳米金的功能化试纸膜：将步骤5）中得到的试纸膜裁剪成0.9cm*0.9cm大小的条状；用1μL移液枪将上述制备的AuNps-BSA溶液均匀滴加到所述的试纸膜上，置于60℃下干燥10分钟；重复上述操作三次，以增加试纸条上吸附的AuNps-BSA的量并加深颜色；制得基于纳米金的功能化试纸膜。

先在基底膜上覆纳米二氧化钛涂层，然后在该涂层上附着巯基和氨基，这样才能使纳米金能够牢牢地固定在试纸膜，使其在其后的加工和检测中不会脱落：因为TiO₂作为基底材料，为后续硅烷化试剂提供附着位点，氨基硅烷与巯基硅烷都是用来使纳米金能够通过化学键连接到试纸模上，但是巯基硅烷疏水性，氨基硅烷亲水性，只有按照一定顺序及比例才能使纳米金稳定均匀吸附到所制作的试纸膜上。

三、一种检测水中铁离子的方法，包括以下步骤：

（1）取上述基于纳米金的功能化试纸膜于5 mL的离心试管中，依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；

（2）加入50μL待测溶液于上述离心试管中，定容到1 mL，在60℃下水浴12 分钟 ，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于60℃下干燥10分钟；试纸膜褪色则定性检测到铁离子。

如果需要进行定量检测，还包括如下步骤：

（3）用扫描仪扫取步骤（2）中的试纸膜的图片，通过RGB分析得到绿通道的改变值，带入标准曲线即可定量检测出待测溶液的铁离子浓度。

硫脲能与纳米金发生如下反应：

Au⁰ +2SC(NH₂)₂ →Au[SC(NH₂)₂]²⁺ +2e⁻，但在正常条件下（常温、不加催化剂），该反应特别缓慢，无法观察。在酸性条件下，加入铁离子之后能够迅速催化纳米金与硫脲的反应，紫色的纳米金就会因发生反应而褪色，其褪色程度与铁离子的浓度呈正相关。

四、标准曲线绘制:

取10个5 mL的离心试管，取基于纳米金的功能化试纸膜分别放入其中，再依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；分别加入50μL铁离子浓度为0μM、1μM、2.5μM、5μM、7.5μM、10μM、25μM、35μM、50μM、70μM的溶液于上述离心试管中，定容到1 mL，形成10个平行样，将上述平行样在60℃下水浴12 分钟，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于60℃下干燥10分钟。

用扫描仪分别扫取上述试纸膜的图片，通过RGB分析得到绿通道的改变值，得到如图3所示曲线：y= 1.523x + 0.6138 ，R²=0.9900。其线性范围为0.75-40μM，检测值下限低于国标通行标准6μM。

五、基于纳米金的功能化试纸膜与不同浓度铁离子反应后的褪色情况对比实验

取基于纳米金的功能化试纸膜分别放入10个反应器内，再依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；再分别加入50μL铁离子浓度为0μM、1μM、2.5μM、5μM、7.5μM、10μM、25μM、35μM、50μM、70μM的溶液于上述反应器中，形成10个平行样，将上述平行样在60℃下水浴12 分钟，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于60℃下干燥10分钟。

各平行样中的试纸颜色变化依次为图4中所示。本实验证明反应后试纸膜的颜色随与之反应的铁离子浓度的增加而变淡，即试纸的褪色程度与铁离子浓度正相关。

六、离子干扰能力实验

取17个5 mL的离心试管，取基于纳米金的功能化试纸膜分别放入其中，再依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；分别加入50μL离子浓度为1mM的Co²⁺、Ag⁺、Ce³⁺、 Ni²⁺、Ge⁴⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Ca²⁺、K⁺、Cu²⁺、Sn²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Na⁺溶液和Fe³⁺溶液于上述离心试管中，定容到1 mL，形成17个平行样，将上述平行样在60℃下水浴12 分钟，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于60℃下干燥10分钟。

再用扫描仪分别扫取上述试纸膜的图片，通过RGB分析得到绿通道的改变值，结果如图5所示。本发明中的基于纳米金的功能化试纸膜对Co²⁺、Ag⁺、Ce³⁺、 Ni²⁺、Ge⁴⁺、Mn²⁺、Pb²⁺、Ca²⁺、K⁺、Cu²⁺、Sn²⁺、Fe²⁺、Zn²⁺、Al³⁺、Mg²⁺、Na⁺等离子有很好的抗干扰能力，证明有极强的专一性。

本发明的上述实施例仅仅是为说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其他不同形式的变化和变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于纳米金的功能化试纸膜，其特征在于，基底膜上覆有纳米二氧化钛涂层，该涂层上附着有通过巯基和氨基固定的纳米金。

2.根据权利要求1所述的基于纳米金的功能化试纸膜，其特征在于，所述的基底膜为普通滤纸、硝酸纤维素膜、醋酸纤维素膜或PVDF膜。

3.根据权利要求1或2所述的基于纳米金的功能化试纸膜，其特征在于，其制备方法包括以下步骤：

1）配制AuNps-BSA溶液：在50-70℃条件下，将1.5mg壳聚糖溶于50mL 质量分数为1%的乙酸的溶液中，加入2mL质量分数为1%的氯金酸溶液，在80-100℃条件下加热搅拌回流，当溶液由淡黄色变为深红色时停止加热，继续搅拌直至冷却到室温，形成纳米金溶液；将牛血清蛋白即BSA加入到上述纳米金溶液中并混合均匀，使溶液中BSA的浓度为3μM，形成AuNps-BSA溶液，备用；

2）浸泡改性：将基底膜置于无水乙醇中浸泡2-4小时，取出后，再置于40-70℃条件下干燥5-10分钟；

3）接二氧化钛处理：将步骤2）处理后的基底膜浸泡在钛溶液中，放置于摇床上震荡30分钟，擦除基底膜表面的多余液体，使钛溶液在基底膜上分布均匀，在40-70℃下干燥5-10分钟；重复上述操作两次；所述钛溶液为体积比8~12:2~6:1的无水乙醇、钛酸丁酯、冰醋酸配成的混匀溶液；

4）水解：将步骤3）处理后的基底膜放入去离子水中，在100-150℃下水解2-5小时，取出该基底膜置于40-70℃下干燥5-10分钟，得到二氧化钛覆膜的试纸膜；

5）接巯基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为1%-5%的(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷，将步骤4）得到的试纸膜浸泡其中，并在80-120℃下反应20-40分钟；取出上述试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；

6）接氨基：用无水乙醇为溶剂配制体积浓度为1%-5%的3-氨丙基三甲氧基硅烷，将步骤5）得到的试纸膜浸泡其中，置于80-120℃下反应20-40分钟；取出该试纸膜，用去离子水冲洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；

7）制备基于纳米金的功能化试纸膜：将步骤6）中得到的试纸膜裁剪成条；将步骤1）制备的AuNps-BSA溶液均匀滴加到所述的试纸膜上，置于40-70℃下干燥5-10分钟；重复上述操作2-5次，以增加试纸条上吸附的AuNps-BSA的量并加深颜色；制得基于纳米金的功能化试纸膜。

4.一种检测水中铁离子的方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）取权利要求1、2或3所述的基于纳米金的功能化试纸膜于5 mL的离心试管中，依次加入125 μL浓度为1M硫脲溶液、50μL浓度为4 M的盐酸；

（2）加入50μL待测溶液于上述离心试管中，定容到1 mL，在45-70℃下水浴10-20 分钟，取出该试纸膜，用去离子水清洗若干次，置于40-70℃下干燥5-10分钟；试纸膜褪色则定性检测到铁离子。

5.根据权利要求5所述的检测铁离子的方法，其特征在于，还包括如下步骤：

（3）用扫描仪扫取步骤（2）中的试纸膜的图片，通过RGB分析得到G通道的改变值，带入标准曲线即可定量检测出待测溶液的铁离子浓度。