CN105136792A - 一种铜离子检测试剂及应用 - Google Patents

Abstract

一种铜离子检测试剂及应用，属于化学检测的技术领域。检测试剂为聚乙烯亚胺修饰的水溶性的纳米粒子溶液；制备方法包括将金盐或银盐溶于去离子水，加入一定比例的聚乙烯亚胺，混合均匀制得表面含有氨基修饰的水溶性纳米粒子溶液。其检测方法是，取适量的纳米粒子于一定pH值的磷酸（PBS）缓冲溶液中，加入铜离子样品，随后观察溶液颜色变化及测试紫外可见吸收光谱，并进行数据处理。本发明试剂制备过程简单，反应时间仅需1小时，无需复杂处理，即可直接使用。本检测方法采用紫外可见光谱分析技术及目视法观察溶液颜色变化，对Cu²⁺响应快，选择性高，简便快捷，适于环境水体中Cu²⁺的现场快速检测。

Description

一种铜离子检测试剂及应用

技术领域

本发明涉及一种铜离子检测试剂及应用，其属于化学检测技术领域。

背景技术

随着工业快速发展，重金属污染日益突出，Cu²⁺作为最常见的有毒重金属之一，因其对动植物及环境的严重危害性引起了人们的广泛关注。Cu²⁺是人体必需微量元素之一，多种蛋白质与酶都包含Cu²⁺，Cu²⁺与细胞繁殖、多种酶活动、内分泌功能以及造血功能密切相关，但如果体内长期含有过量的Cu²⁺无法降解，则会对人体产生危害。Cu²⁺污染也威胁着水生物的安全，据报道，水中含铜量达到0.002mg/L就会对鱼类产生毒性。Cu²⁺引起的水污染不仅破坏环境，更会严重危害人类及其他动植物的健康，因此开发优良的Cu²⁺探针具有重要意义。

迄今为止，人们已提出了多种Cu²⁺检测方法。水体中Cu²⁺常用的检测方法有原子吸收法、荧光法淬灭法、极谱仪法、电化学发光分析法等，尽管如此，这些方法仍存在着局限性。传统的仪器检测如AAS和ICP-AES无疑具有很好的灵敏度，但由于对贵重检测仪器的依赖性，检测成本较高，难以推广应用。此外这些仪器检测极易受样品背景（杂质、浮游生物、金属离子等）干扰。因此，亟需开发简单、灵敏、具有高度选择性的Cu²⁺探针。因此，发展一种快速、简便、灵敏、准确的环境水体中铜离子现场检测方法具有十分重要的意义。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种铜离子检测试剂，以快速简便、高灵敏度、高选择性的检测水中Cu²⁺。

为了解决上述问题本发明采用如下技术方案：

一种铜离子检测试剂，所述试剂为聚乙烯亚胺（PEI）和金盐或银盐反应得到的纳米粒子溶液，所述聚乙烯亚胺：金盐或银盐的摩尔比为1:3~1:20，所述纳米粒子溶液为包含一种或多种金纳米粒子、一种或多种银纳米粒子的溶液；所述金纳米粒子为金纳米球、纳米棒、纳米簇或不规则纳米粒子，银纳米粒子为银的纳米球、纳米棒、纳米簇或不规则纳米粒子。

所述金纳米粒子或银纳米粒子表面修饰为聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺的分子量为10000~60000。

一种铜离子检测试剂的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）合成纳米粒子溶液：将金盐或银盐加入二次水中，水浴恒温至65℃；再快速加入新鲜配制的PEI溶液，匀速搅拌，继续反应1h至颜色变为稳定的酒红色，其中PEI与金盐或银盐的摩尔比为1:3~1:20；冷至室温后，离心除去大颗粒，得到纳米粒子溶液；

（2）取新鲜制备纳米粒子溶液，溶于磷酸缓冲溶液(PBS)中（pH7－10），并混合均匀；

（3）向上述体系中加入待测样品，孵育5min，测试紫外可见吸收光谱。

一种铜离子检测试剂的应用，所述试剂用于铜离子的定量检测，在Cu²⁺浓度25-300μM范围内，Cu²⁺浓度与吸光度A270nm/A225nm的变化值呈线性关系，线性方程为y=0.0029x+0.5022，线性相关系数0.9975。

本发明的有益效果为：该检测试剂为聚乙烯亚胺修饰的水溶性的纳米粒子溶液；制备方法包括将金盐或银盐溶于去离子水，加入一定比例的聚乙烯亚胺，混合均匀制得表面含有氨基修饰的水溶性纳米粒子溶液。其检测方法是，取适量合成的纳米粒子于一定pH值的PBS缓冲溶液中，加入待测样品，随后观察颜色变化及测试紫外可见吸收光谱，并进行数据处理。（1）本发明采用紫外可见光谱分析技术及目视法观察溶液颜色变化，对Cu²⁺响应快，检测限远低于美国国家环保局规定水中Cu²⁺最大限量，同时具有高选择性，整个操作过程10分钟内即可完成，简便快捷，适于环境水体中Cu²⁺的现场快速检测。（2）本发明所采用的PEI修饰的金纳米粒子，与其他Cu²⁺检测试剂制备相比，制备过程简单，反应时间仅需1小时，且无需复杂处理，即可直接使用。（3）本发明所制备的金纳米粒子，粒径均一，稳定性较好，保证了检测试剂的可靠性，4℃避光保存三个月以上仍然具有较好的分散性。（4）本发明采用PEI作为还原剂及稳定剂，制备金纳米粒子，即可得到粒径均一、单分散性较好的纳米粒子，同时金纳米粒子表面具有大量氨基，有利于和Cu²⁺形成配合物。（5）通过向金纳米粒子检测Cu²⁺体系中加入强络合剂EDTA，既可以实现铜离子检测试剂的重复利用，又可以实现Cu²⁺的富集，有利于建立一种环境友好的金属离子检测平台。

该检测试剂采用如下原理：基于Cu²⁺的在PEI修饰的金纳米粒子表面生成配合物，引起溶液颜色或紫外吸收谱图变化的原理实现Cu²⁺的检测。由于比色法在目标物检测过程中无需昂贵的仪器，结果直观、简便快速，适用于Cu²⁺的现场检测。以往报道的不同类型的检测探针如有机染料、量子点、DNA酶和蛋白质等进行Cu²⁺的检测，这其中有的方法检测限未达到环保署规定值，又或者材料制备方法较为复杂，成本较大，操作不便。金纳米粒子由于良好的稳定性、表面效应、小尺寸效应、光学效应以及特殊的生物亲和效应而具有独特的物理化学性质，在分析检测方面呈现广泛的应用前景，近年来备受关注。大多数情况下基于比色法检测的金纳米粒子通过诱导其聚集和解聚，引起金纳米粒子颜色性状和紫外吸收的变化进行目标物检测，简单快速，灵敏直观。但金纳米粒子本身的稳定性极易受pH、离子强度等条件的影响，因此在实际样品的检测中仍有一定困难。本发明开发了一种新型PEI修饰的金纳米粒子作为检测试剂用于Cu²⁺检测，通过改良文献方法加热PEI与HAuCl₄混合溶液1小时得到稳定的PEI修饰的金纳米粒子（PEI/AuNPs）。这种金纳米粒子合成简单快速，是一种优良的铜离子检测试剂。Cu²⁺和PEI迅速在PEI/AuNPs表面形成Cu-PEI配合物，同时探针由酒红色变为稳定的紫色，可由裸眼直接观测。通过向检测体系中加入强络合剂EDTA，溶液颜色由紫色又恢复至酒红色，紫外吸收谱图表征显示Cu²⁺与PEI结合的特征吸收峰消失，进一步证实了该试剂的检测原理，同时也表明了所制备的铜离子检测试剂具有可重复利用的潜在特点。

附图说明

图1为检测试剂检测Cu²⁺的原理示意图。

图2为不同浓度的Cu²⁺溶液紫外吸收谱图。

图3为Cu²⁺浓度与A270nm/A225nm变化值响应曲线，其中内插图为Cu²⁺在25-300μM与A270nm/A225nm变化值呈现线性关系图。

图4为检测试剂对Cu²⁺及其他常见金属离子的选择性。

图5为金纳米粒子先后加入Cu²⁺及EDTA后紫外吸收谱图变化。

具体实施方式

实施例1

a.将200μL242mMHAuCl₄加入9100μL二次水中，水浴恒温至65℃；向上述溶液中快速加入适量新鲜配制的PEI（Mw10000,10mM）溶液，匀速搅拌，继续反应1h至颜色变为稳定的酒红色，其中PEI与HAuCl₄比例为1:7；上述溶液冷至室温后，3000r/min离心15分钟，重复两次，除去较大颗粒，得到稳定的铜离子检测试剂，即PEI修饰的金纳米粒子（PEI/AuNPs）。

b.取80μL上述制备金纳米粒子溶液，溶于PBS缓冲溶液（pH7.4）中。

c.向上述体系中加入Cu²⁺标准溶液，孵育5分钟后，使反应充分进行后进行检测，检测原理如图1所示；取上述纳米溶胶，测试紫外可见光谱。

d.定量实验：重复步骤b-c，得到不同浓度的Cu²⁺标准溶液的紫外吸收谱图及对应颜色变化（参见图2），以吸光度A270nm/A225nm的变化值（ΔA270nm/A225nm）对应铜离子浓度响应，进行数据处理，在Cu²⁺浓度25-300μM范围内，得到Cu²⁺浓度，与ΔA270nm/A225nm呈线性关系，线性方程为y=0.0029x+0.5022，线性相关系数0.9975。（参见图3）。

e.选择性实验：实施过程与实验步骤的a-c步骤相同，将待测溶液由Cu²⁺分别变为等浓度的其他金属离子。这些金属离子分别为：Al³⁺,Ba²⁺,Ca²⁺,Cd²⁺,Fe²⁺,Hg²⁺,K⁺,Mn²⁺,Ni²⁺,Pb²⁺,Sn²⁺,Zn²⁺,Co²⁺及Ag⁺。本发明用于Cu²⁺检测具有高选择性（参见图4）。

该实施对Cu²⁺检出限为0.29μM，对Cu²⁺浓度线性响应范围为25-300μM，同时具有高选择性，整个检测过程只需5-10分钟。

f.可逆实验：实施过程与实验步骤的a-c步骤相同，向加入100μMCu²⁺的PEI/AuNPs溶液中加入1mMEDTA50μL，溶液颜色由紫色变为酒红色，与未加入Cu²⁺的PEI/AuNPs溶液颜色一致，通过紫外吸收谱图表征，显示加入EDTA后，270nm处特征吸收峰消失（图5）。本发明具有可重复利用的潜质特点。

实施例2

实验过程与实验步骤同实施例1a-c。仅将Cu²⁺标准溶液替换为江苏师范大学玉泉河水。分别取含15，62，125，220μMCu²⁺标准溶液的玉泉河水进行检测，计算加标回收率为95%-101%，相对标准偏差为2.2%。

实施例3

实验过程与实验步骤同实施例1a-c。仅将Cu²⁺标准溶液替换为化工厂废水（中国，徐州）。稀释5倍工业废水后取500μL后进行检测，代入公式计算得Cu²⁺浓度为162.87μM，与原子吸收法检测结果非常接近（168.32μM）。

Claims (4)

1.一种铜离子检测试剂，其特征在于：所述试剂为聚乙烯亚胺和金盐或银盐反应得到的纳米粒子溶液，所述聚乙烯亚胺与金盐或银盐的摩尔比为1:3~1:20，所述纳米粒子溶液为包含一种或多种金纳米粒子、一种或多种银纳米粒子的溶液；所述金纳米粒子为金纳米球、纳米棒、纳米簇或不规则纳米粒子，银纳米粒子为银纳米球、纳米棒、纳米簇或不规则纳米粒子。

2.根据权利要求1所述的一种铜离子检测试剂，其特征在于：所述金纳米粒子或银纳米粒子表面修饰为聚乙烯亚胺，所述聚乙烯亚胺的分子量为10000~60000。

3.根据权利要求1所述的一种铜离子检测试剂的检测方法，其特征在于包括以下步骤：

（1）合成纳米粒子溶液：将金盐或银盐加入二次水中，水浴恒温至65℃；再快速加入新鲜配制的聚乙烯亚胺溶液，匀速搅拌，继续反应1h至颜色变为稳定的酒红色，其中聚乙烯亚胺I与金盐或银盐的摩尔比为1:3~1:20；冷至室温后，离心除去大颗粒，得到纳米粒子溶液；

（2）取新鲜制备纳米粒子溶液，溶于磷酸缓冲溶液中（pH7－10），并混合均匀；

（3）向上述体系中加入待测铜离子样品，孵育5min，测试紫外可见吸收光谱。

4.根据权利要求1所述的一种铜离子检测试剂的应用，其特征在于所述试剂用于铜离子的定量检测，在铜离子浓度25-300μM范围内，铜离子浓度与吸光度A270nm/A225nm的变化值呈线性关系。